So what does it mean for a machine to be athletic? We will demonstrate the concept of machine athleticism and the research to achieve it with the help of these flying machines called quadrocopters, or quads, for short.
Así que ¿qué significa para una máquina ser atlética? Demostraremos el concepto de atletismo de la máquina y la investigación para lograrlo con la ayuda de estas máquinas voladoras llamadas quadricópteros, o quads, para abreviar.
Quads have been around for a long time. They're so popular these days because they're mechanically simple. By controlling the speeds of these four propellers, these machines can roll, pitch, yaw, and accelerate along their common orientation. On board are also a battery, a computer, various sensors and wireless radios.
Los quads han existido durante mucho tiempo. La razón de que sean tan populares en estos días es porque son mecánicamente simples. Mediante el control de las velocidades de estas cuatro hélices, Estas máquinas pueden virar, balancearse, cabecear y acelerar junto a su orientación común. A bordo también hay una batería, una computadora, varios sensores y radios inalámbricos.
Quads are extremely agile, but this agility comes at a cost. They are inherently unstable, and they need some form of automatic feedback control in order to be able to fly.
Los quads son muy ágiles, pero esta agilidad tiene un precio. Son inherentemente inestables, y necesitan alguna forma de control automático de retroalimentación para poder volar.
So, how did it just do that? Cameras on the ceiling and a laptop serve as an indoor global positioning system. It's used to locate objects in the space that have these reflective markers on them. This data is then sent to another laptop that is running estimation and control algorithms, which in turn sends commands to the quad, which is also running estimation and control algorithms. The bulk of our research is algorithms. It's the magic that brings these machines to life.
Entonces, ¿cómo hizo eso? Cámaras en el techo y una computadora portátil sirven como un sistema de posicionamiento global interior, que se utiliza para localizar objetos en el espacio que tienen estos marcadores reflejantes. Estos datos se envían a otra computadora que está ejecutando algoritmos de estimación y control, la cual a su vez envía comandos al quad, que también ejecuta algoritmos de estimación y control. La mayor parte de nuestra investigación son algoritmos. Es la magia que da vida a estas máquinas.
So how does one design the algorithms that create a machine athlete? We use something broadly called model-based design. We first capture the physics with a mathematical model of how the machines behave. We then use a branch of mathematics called control theory to analyze these models and also to synthesize algorithms for controlling them. For example, that's how we can make the quad hover. We first captured the dynamics with a set of differential equations. We then manipulate these equations with the help of control theory to create algorithms that stabilize the quad.
Entonces, ¿cómo diseña uno los algoritmos para crear una máquina atleta? Utilizamos algo llamado en términos generales diseño basado en el modelo. Primero describimos la física con un modelo matemático de cómo se comportan las máquinas. Entonces utilizamos una rama de las matemáticas llamada teoría de control para analizar estos modelos y también para sintetizar algoritmos para controlarlos. Por ejemplo, así es como podemos hacer flotar el quad. Primero capturamos la dinámica con un conjunto de ecuaciones diferenciales. Entonces manipulamos estas ecuaciones con la ayuda de la teoría de control para crear algoritmos que estabilicen al quad.
Let me demonstrate the strength of this approach. Suppose that we want this quad to not only hover but to also balance this pole. With a little bit of practice, it's pretty straightforward for a human being to do this, although we do have the advantage of having two feet on the ground and the use of our very versatile hands. It becomes a little bit more difficult when I only have one foot on the ground and when I don't use my hands. Notice how this pole has a reflective marker on top, which means that it can be located in the space.
Permítanme demostrarles la fuerza de este enfoque. Supongamos que queremos este quad no solo flote sino que también equilibre esta barra. Con un poco de práctica, es bastante sencillo para un ser humano hacer esto, Aunque tenemos la ventaja de tener dos pies en el suelo y usar nuestras manos que son muy versátiles. Se hace un poco más difícil cuando solo tengo un pie en el suelo y cuando no utilizo mis manos. noten que la barra tiene un marcador reflejante en la parte superior, lo que significa que puede ubicarse en el espacio.
(Audience) Oh!
(Aplausos)
(Applause)
(Applause ends)
Noten que el quad está haciendo ajustes finos
You can notice that this quad is making fine adjustments to keep the pole balanced. How did we design the algorithms to do this? We added the mathematical model of the pole to that of the quad. Once we have a model of the combined quad-pole system, we can use control theory to create algorithms for controlling it. Here, you see that it's stable, and even if I give it little nudges, it goes back -- to the nice, balanced position.
para mantener la barra equilibrada. ¿Cómo diseñamos los algoritmos para hacer esto? Añadimos el modelo matemático de la barra al del quad. Una vez que tenemos un modelo del sistema del quad y la barra juntos, podemos utilizar la teoría de control para crear algoritmos para controlarlo. Aquí, pueden apreciar que es estable, e incluso si le doy unos empujoncitos, vuelve a una posición correcta y equilibrada.
We can also augment the model to include where we want the quad to be in space. Using this pointer, made out of reflective markers, I can point to where I want the quad to be in space a fixed distance away from me.
También podemos aumentar el modelo incluyendo dónde queremos que se ubique el quad en el espacio. Con este indicador con marcadores reflejantes, puedo apuntar a dónde quiero que el quad se ubique en el espacio una distancia fija lejos de mí.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
La clave para estas maniobras acrobáticas son algoritmos, diseñados con la ayuda de modelos matemáticos y la teoría de control.
Let's tell the quad to come back here and let the pole drop, and I will next demonstrate the importance of understanding physical models and the workings of the physical world. Notice how the quad lost altitude when I put this glass of water on it. Unlike the balancing pole, I did not include the mathematical model of the glass in the system. In fact, the system doesn't even know that the glass is there. Like before, I could use the pointer to tell the quad where I want it to be in space.
Vamos a decirle al quad que regrese aquí y que deje caer la barra, y a continuación demostraré la importancia de entender los modelos físicos y el funcionamiento del mundo físico. Observen cómo el quad pierde altitud cuando pongo esta copa con agua sobre él. A diferencia de la barra, no incluí el modelo matemático de la copa en el sistema. De hecho, el sistema no sabe que la copa de agua está ahí. Como antes, podría utilizar el puntero para ordenar al quad donde quiero que esté en el espacio.
(Applause)
(Aplausos)
(Applause ends)
Okay, you should be asking yourself, why doesn't the water fall out of the glass? Two facts. The first is that gravity acts on all objects in the same way. The second is that the propellers are all pointing in the same direction of the glass, pointing up. You put these two things together, the net result is that all side forces on the glass are small and are mainly dominated by aerodynamic effects, which at these speeds are negligible. And that's why you don't need to model the glass. It naturally doesn't spill, no matter what the quad does.
Bien, deben estarse preguntando, ¿por qué no se cae el agua de la copa? Dos razones: la primera es que la gravedad actúa en todos los objetos de la misma manera. La segunda es que todas las hélices apuntan en la misma dirección que la copa, apuntando hacia arriba. Juntando estas dos razones, el resultado neto es que todas las fuerzas laterales sobre el vaso son pequeñas y están dominadas principalmente por efectos aerodinámicos, los cuales a estas velocidades son insignificantes. Y por eso no se necesita modelar la copa. Naturalmente no se derrama, sin importar lo que haga el quad.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Aplausos)
(Applause ends)
The lesson here is that some high-performance tasks are easier than others, and that understanding the physics of the problem tells you which ones are easy and which ones are hard. In this instance, carrying a glass of water is easy. Balancing a pole is hard.
La lección aquí es que algunas tareas de alto rendimiento son más fáciles que otras, y el entender la física del problema te dice cuáles son fáciles y cuáles son difíciles. En este caso, llevar una copa de agua es fácil. Equilibrar una barra es difícil.
We've all heard stories of athletes performing feats while physically injured. Can a machine also perform with extreme physical damage? Conventional wisdom says that you need at least four fixed motor propeller pairs in order to fly, because there are four degrees of freedom to control: roll, pitch, yaw and acceleration. Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers, can provide redundancy, but quadrocopters are much more popular because they have the minimum number of fixed motor propeller pairs: four. Or do they?
Todos hemos escuchado historias de atletas que realizan hazañas mientras están lesionados físicamente. ¿Puede también una máquina operar con daño físico extremo? La sabiduría popular dice que se necesitan al menos cuatro pares de motores de hélices fijos para poder volar, porque hay cuatro grados de libertad para controlar: Viraje, cabeceo, balanceo y aceleración. Los hexacopteros y los octocopteros, con seis y ocho hélices, puede proporcionar redundancia, pero los cuadricópteros son mucho más populares porque tienen el número mínimo de pares de hélice de motor fijo: cuatro. O ¿no?
(Audience) Oh!
(Laughter)
If we analyze the mathematical model of this machine with only two working propellers, we discover that there's an unconventional way to fly it. We relinquish control of yaw, but roll, pitch and acceleration can still be controlled with algorithms that exploit this new configuration. Mathematical models tell us exactly when and why this is possible. In this instance, this knowledge allows us to design novel machine architectures or to design clever algorithms that gracefully handle damage, just like human athletes do, instead of building machines with redundancy.
Si analizamos el modelo matemático de esta máquina con solo dos hélices funcionales, descubrimos que hay una forma poco convencional para volarlo. Renunciamos a controlar el balanceo, pero el viraje, el cabeceo y la aceleración todavía pueden ser controladas con algoritmos que aprovechan esta configuración nueva. Los modelos matemáticos nos dicen exactamente cuándo y por qué esto es posible. En este caso, este conocimiento nos permite diseñar arquitecturas de máquinas novedosas o diseñar algoritmos inteligentes que manejen con gracia el daño, al igual que hacen los atletas humanos, en el lugar de construir máquinas con redundancia.
We can't help but hold our breath when we watch a diver somersaulting into the water, or when a vaulter is twisting in the air, the ground fast approaching. Will the diver be able to pull off a rip entry? Will the vaulter stick the landing? Suppose we want this quad here to perform a triple flip and finish off at the exact same spot that it started. This maneuver is going to happen so quickly that we can't use position feedback to correct the motion during execution. There simply isn't enough time. Instead, what the quad can do is perform the maneuver blindly, observe how it finishes the maneuver, and then use that information to modify its behavior so that the next flip is better. Similar to the diver and the vaulter, it is only through repeated practice that the maneuver can be learned and executed to the highest standard.
No podemos evitar contener la respiración cuando observamos a un clavadista lanzarse al agua, o cuando un saltador está girando en el aire, el suelo se acercaba rápidamente. ¿Será capaz el clavadista de realizar una entrada limpia? ¿El saltador podrá controlar su aterrizaje? Supongamos que queremos que este quad realice una vuelta triple y acabe en el mismo punto en el que empezó. Esta maniobra va a pasar tan rápido que no alcanzamos a retroalimentar la posición para corregir el movimiento en la ejecución. Simplemente no hay suficiente tiempo. En vez de ello, lo que el quad puede hacer es realizar la maniobra a ciegas, observar cómo termina la maniobra, y luego usar esa información para modificar su comportamiento para que la siguiente vez sea mejor. Al igual que el clavadista y el saltador, es solo a través de la práctica repetida que la maniobra puede ser aprendida y ejecutada al más alto nivel.
(Laughter)
(Applause)
(Aplausos)
Striking a moving ball is a necessary skill in many sports. How do we make a machine do what an athlete does seemingly without effort?
Golpear una bola en movimiento es una habilidad necesaria en muchos deportes. ¿Cómo podemos hacer que una máquina haga lo que un atleta hace aparentemente sin esfuerzo?
(Laughter)
(Applause)
(Aplausos)
(Applause ends)
This quad has a racket strapped onto its head with a sweet spot roughly the size of an apple, so not too large. The following calculations are made every 20 milliseconds, or 50 times per second. We first figure out where the ball is going. We then next calculate how the quad should hit the ball so that it flies to where it was thrown from. Third, a trajectory is planned that carries the quad from its current state to the impact point with the ball. Fourth, we only execute 20 milliseconds' worth of that strategy. Twenty milliseconds later, the whole process is repeated until the quad strikes the ball.
Este quad tiene una raqueta sujeta en la parte superior con un tamaño ideal como de una manzana, no es demasiado grande. Los siguientes cálculos se realizan cada 20 milisegundos, o 50 veces por segundo. Primero suponemos a donde va la bola. Luego calculamos cómo el quad debe golpear la bola para que la regrese de donde fue arrojada. En tercer lugar, está prevista una trayectoria que lleva el quad desde su estado actual al punto de impacto con la bola. En cuarto lugar, sólo ejecutamos 20 milisegundos de esta estrategia. 20 milisegundos después, se repite todo el proceso hasta que el quad golpea la bola.
(Applause)
(Aplausos)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Las máquinas no sólo pueden realizar maniobras dinámicas por cuenta propia, pueden hacerlo colectivamente. Estos tres quads llevan cooperativamente una red
(Applause)
(Aplausos)
(Applause ends)
They perform an extremely dynamic and collective maneuver to launch the ball back to me. Notice that, at full extension, these quads are vertical.
Realizan una maniobra extremadamente dinámica y colectiva para lanzar la pelota de vuelta a mí. Observen que, en extensión completa, estos quads están verticales.
(Applause)
(Aplausos)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
De hecho, cuando está completamente extendida, es aproximadamente cinco veces mayor a lo que se siente al saltar del bungee al final del lanzamiento.
The algorithms to do this are very similar to what the single quad used to hit the ball back to me. Mathematical models are used to continuously re-plan a cooperative strategy 50 times per second.
Los algoritmos para hacer esto son muy similares al de usar un solo quad para que golpee la bola hacia mí. Los modelos matemáticos se utilizan continuamente para replanificar una estrategia cooperativa 50 veces por segundo.
Everything we have seen so far has been about the machines and their capabilities. What happens when we couple this machine athleticism with that of a human being? What I have in front of me is a commercial gesture sensor mainly used in gaming. It can recognize what my various body parts are doing in real time. Similar to the pointer that I used earlier, we can use this as inputs to the system. We now have a natural way of interacting with the raw athleticism of these quads with my gestures.
Todo lo que hemos visto hasta ahora ha sido acerca de las máquinas y sus capacidades. ¿Qué sucede cuando juntamos este atletismo de la máquina con la de un ser humano? Lo que tengo delante de mí es un sensor de gestos comercial utilizado principalmente para jugar. Puede reconocer lo que hacen las distintas partes del cuerpo en tiempo real. Similarmente al puntero que utilicé antes, podemos utilizar esto como entrada al sistema. Ahora tenemos una forma natural de interactuar con el atletismo en bruto de estos quads con mis gestos.
(Applause)
(Aplausos)
Interaction doesn't have to be virtual. It can be physical. Take this quad, for example. It's trying to stay at a fixed point in space. If I try to move it out of the way, it fights me, and moves back to where it wants to be. We can change this behavior, however. We can use mathematical models to estimate the force that I'm applying to the quad. Once we know this force, we can also change the laws of physics, as far as the quad is concerned, of course. Here, the quad is behaving as if it were in a viscous fluid.
La interacción no tiene que ser virtual, puede ser física. Tomemos como ejemplo este quad. Trata de permanecer en un punto fijo en el espacio. Si trato de moverlo, lucha y se regresa a donde quiere estar. Sin embargo, podemos cambiar este comportamiento. Podemos utilizar modelos matemáticos para estimar la fuerza que estoy aplicando al quad. Una vez que sabemos esta fuerza, también podemos cambiar las leyes de la física, en cuanto al quad, por supuesto. Aquí el quad se comporta como si estuviera
We now have an intimate way of interacting with a machine.
en un fluido viscoso.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Ahora tenemos una manera íntima de interactuar con una máquina. Voy a utilizar esta nueva funcionalidad para ubicar Este quad con cámara a la posición apropiada para filmar el resto de esta demostración.
So we can physically interact with these quads and we can change the laws of physics. Let's have a little bit of fun with this. For what you will see next, these quads will initially behave as if they were on Pluto. As time goes on, gravity will be increased until we're all back on planet Earth, but I assure you we won't get there. Okay, here goes.
Así podemos interactuar físicamente con estos quads y podemos cambiar las leyes de la física. Vamos a divertirnos un poco con esto. Para lo que veremos a continuación, estos quads inicialmente se comportarán como si estuvieran en Plutón. Conforme pase el tiempo, se incrementará la gravedad hasta que estemos de vuelta en el planeta Tierra, pero les aseguro que no iremos allá. Bueno, aquí va.
(Laughter)
(Risas)
(Laughter)
(Risas)
(Applause)
(Aplausos)
Whew! You're all thinking now, these guys are having way too much fun, and you're probably also asking yourself, why exactly are they building machine athletes? Some conjecture that the role of play in the animal kingdom is to hone skills and develop capabilities. Others think that it has more of a social role, that it's used to bind the group. Similarly, we use the analogy of sports and athleticism to create new algorithms for machines to push them to their limits. What impact will the speed of machines have on our way of life? Like all our past creations and innovations, they may be used to improve the human condition or they may be misused and abused. This is not a technical choice we are faced with; it's a social one. Let's make the right choice, the choice that brings out the best in the future of machines, just like athleticism in sports can bring out the best in us.
¡Fiu! Todos están pensando ahora, estos chicos se divierten demasiado, y probablemente también se estén preguntando, ¿por qué exactamente están construyendo máquinas atletas? Algunos conjeturaran que el rol del juego en el reino animal es desarrollar habilidades y capacidades. Otros piensan que tiene más que ver con una función social, que se utiliza para unir el grupo. De la misma manera, utilizamos la analogía del deporte y el atletismo para crear nuevos algoritmos para las máquinas para llevarlas a sus límites. ¿Qué impacto tendrá la velocidad de las máquinas en nuestra forma de vida? Como todas nuestras creaciones e innovaciones pasadas, se pueden utilizar para mejorar la condición humana o pueden ser mal usadas y abusadas. Esta no es una opción técnica a la que nos enfrentamos; es social. Tomemos la decisión correcta, la decisión que saca lo mejor en el futuro de las máquinas, al igual que el atletismo en los deportes puede sacar lo mejor de nosotros.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Permítanme presentarles a los magos detrás de la cortina verde. Son los miembros actuales del equipo de investigación de Flying Machine Arena.
(Applause)
(Aplausos)
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz. Look out for them. They're destined for great things.
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller y Robin Ritz. No les pierdan la pista, están destinados para grandes cosas.
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)