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.
O que significa para uma máquina ser atlética? Nós iremos demonstrar o conceito de agilidade na máquina e a investigação para o conseguir com a ajuda destas máquinas voadoras chamadas quadricópteros, ou "quads", abreviando.
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.
Os "quads" já existem há bastante tempo. A razão de serem tão populares hoje em dia é serem mecanicamente simples. Controlando a velocidade destas quatro hélices, estas máquinas podem rodar, inclinar, guinar, e acelerar na orientação comum. A bordo estão também uma bateria, um computador, vários sensores e rádios sem fio.
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.
Os "quads" são extremamente ágeis, mas a sua agilidade tem um custo. Eles são naturalmente instáveis, e precisam de alguma forma de um controlo automático de resposta para poderem voar.
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.
Então, como é que ele fez isto? Câmaras no teto e um portátil servem como um sistema de posicionamento global de interior. É usado para localizar objetos no espaço que tenham marcas refletoras Estes dados são então enviados para outro portátil que está a executar algoritmos de estimativa e controlo que, por sua vez, envia comandos para o "quad", que também está a executar algoritmos de estimativa e controlo. A maior parte da nossa investigação são os algoritmos. São a magia que dá 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.
Como desenhar algoritmos que criam uma máquina-atleta? Usamos algo genericamente designado por desenho baseado em modelos. Primeiro, captamos a física com um modelo matemático de como a máquina se comporta. Depois usamos um ramo da matemática designado "teoria de controlo" para analisar estes modelos e também para desenvolver algoritmos para os controlar. Por exemplo, é assim que podemos fazer o "quad" pairar. Primeiro captamos a dinâmica com um conjunto de equações diferenciais. Depois manipulamos essas equações com a ajuda da teoria de controlo para criar algoritmos que estabilizam o "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.
Deixem-me demonstrar o poder desta abordagem. Suponham que queremos que este "quad" não paire apenas mas que balance este bastão. Com alguma prática, é muito simples para um ser humano fazer isto, embora tenhamos a vantagem de ter os dois pés no chão e o uso das nossas mãos muito versáteis. Torna-se um pouco mais difícil quando só tenho um pé no chão e quando não uso as minhas mãos. Reparem que o bastão tem uma marca refletora no topo, que lhe permite ser localizado no espaço.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Aplausos)
(Applause ends)
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.
Podem verificar que este "quad" está a fazer ligeiros ajustes para manter o bastão equilibrado. Como desenhámos o algoritmo para fazer isto? Acrescentámos o modelo matemático do bastão ao do "quad". Depois de termos um modelo do sistema "quad"-bastão podemos usar a teoria de controlo para criar algoritmos. Aqui, veem que está estável, e mesmo que dê alguns toques, ele regressa à posição 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.
Também podemos aumentar o modelo e incluir em que ponto do espaço queremos o "quad". Usando este ponteiro, feito de marcas refletoras, posso indicar o ponto do espaço onde quero que o "quad" esteja a uma dada distância de mim.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
A chave para estas manobras acrobáticas são os algoritmos, criados com a ajuda de modelos matemáticos e teoria de controlo.
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 dizer ao "quad" que volte aqui e deixe cair o bastão e a seguir vou demonstrar a importância de se perceberem os modelos físicos e o funcionamento do mundo físico. Reparem como o "quad" perdeu altitude quando lhe coloquei este copo de água. Ao contrário do bastão, eu não incluí o modelo matemático do copo no sistema. De facto, o sistema nem sabe que o copo de água está lá. Como antes, posso usar o ponteiro para dizer ao "quad" em que ponto do espaço quero que esteja.
(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.
Bem, devem estar a questionar-se: "Porque é que a água não cai do copo?" Dois factos: o primeiro, é que a gravidade atua em todos os objetos do mesmo modo. O segundo, é que as hélices apontam todas na mesma direção do copo, para cima. Juntando estes dois factos, o resultado é que todas a forças laterais no copo são reduzidas e são essencialmente controladas pelos efeitos aerodinâmicos, que, a estas velocidades, são menosprezáveis. E é por isso que não é preciso o modelo do copo. Ele naturalmente não entorna, faça o "quad" o que fizer.
(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.
A lição aqui é que algumas tarefas de alto desempenho são mais fáceis que outras, E que, percebendo a física do problema, podemos saber quais são fáceis e quais são difíceis Neste momento, transportar um copo de água é fácil. Equilibrar um bastão é 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 ouvimos histórias de atletas que realizam feitos estando lesionados. Pode uma máquina funcionar com um dano físico extremo? O bom senso diz que são necessárias pelo menos quatro pares de hélices fixas para se poder voar, porque há quatro graus de liberdade a controlar: rotação, inclinação, guinada e aceleração. Os hexacópteros e os octocópteros, com seis e oito hélices, podem ter redundância, mas os quadricópteros são muito mais populares porque têm o número mínimo de pares de hélices fixas: quatro. Ou não?
(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.
Se analisarmos o modelo matemático desta máquina com apenas duas hélices a funcionar, descobrimos que há uma forma não convencional de ele voar. Prescindimos do controlo de guinada, mas a rotação, inclinação e aceleração podem ainda ser controladas com algoritmos que exploram esta nova configuração. Os modelos matemáticos dizem-nos exatamente quando e porque é que isto é possível. Neste momento, este conhecimento permite-nos desenhar novas arquiteturas para as máquinas ou desenhar algoritmos mais espertos que gerem graciosamente os estragos, tal como fazem os atletas humanos, em vez de construirmos máquinas com redundância.
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.
Não evitamos suster a respiração quando observamos um mergulhador saltar para a água ou quando um saltador rodopia no ar, com o chão a aproximar-se rapidamente. Conseguirá o mergulhador fazer uma boa entrada? Conseguirá o saltador aterrar em pé? Suponham que queremos que este "quad" execute uma cambalhota tripla e termine exatamente no ponto em que começou. Esta manobra será tão rápida que não conseguimos usar "feedback" de posição para corrigir o movimento durante a execução. Simplesmente não há tempo suficiente. Em vez disso, o que o "quad" pode fazer é executar a manobra às cegas, verificar como termina a manobra, e usar essa informação para modificar o seu comportamento para que a próxima cambalhota seja melhor. Tal como o mergulhador e o saltador é apenas através de prática repetida que a manobra pode ser aprendida e executada ao mais alto nível.
(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?
Atingir uma bola em movimento é uma habilidade necessária em muitos desportos. Como conseguimos que uma máquina faça o que um atleta faz aparentemente sem esforço?
(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" tem uma raqueta presa no topo com um ponto central quase do tamanho de uma maçã, não muito grande. Estes cálculos são feitos cada 20 milissegundos, ou 50 vezes por segundo. Primeiro, descobrimos a trajetória da bola. Depois, calculamos como o "quad" deve bater a bola para que ela voe para o local de onde foi lançada. Terceiro, é planeada uma trajetória que leva o "quad" do seu estado atual ao ponto de impacto com a bola. Quarto, só executamos 20 milissegundos dessa estratégia. Vinte milissegundos depois, todo o processo é repetido até que o "quad" atinja a 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.
As máquinas não executam apenas manobras dinâmicas sozinhas, podem fazê-lo em conjunto. Estes três "quads" transportam cooperativamente uma rede.
(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.
Eles executam uma manobra extremamente dinâmica e coletiva para me devolverem a bola. Reparem que, na extensão máxima, estes "quads" estão na vertical.
(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 facto, na extensão máxima, é cerca de cinco vezes mais do que um "bungee jumper" sente no fim do seu salto.
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.
Os algoritmos para fazer isto são muito semelhantes ao usado por um único "quad" para me devolver a bola. São usados modelos matemáticos para replanear continuamente uma estratégia cooperativa 50 vezes 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.
Tudo o que vimos até agora foi sobre as máquinas e suas capacidades. O que sucede quando ligamos a agilidade desta máquina à de um ser humano? O que tenho aqui é um sensor comercial de gestos usado essencialmente nos jogos. Pode reconhecer o que as várias partes do meu corpo fazem em tempo real. Tal como o ponteiro que usei antes, podemos usar este como entrada para o sistema. Temos assim uma forma natural de interagir com a agilidade destes "quads" através dos meus 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.
A interação não tem que ser virtual. Pode ser física. Considerem este "quad", por exemplo. Está a tentar manter-se num ponto fixo no espaço. Se eu tentar deslocá-lo, ele contraria-me. e regressa ao ponto onde quer estar. Podemos, porém, alterar este comportamento. Podemos usar modelos matemáticos para estimar a força que aplico a este "quad". Uma vez conhecida esta força, podemos alterar as leis da física no que diz respeito ao "quad", claro. Agora o "quad" comporta-se como se estivesse num fluido viscoso.
We now have an intimate way of interacting with a machine. I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Temos agora um modo profundo de interagir com uma máquina. Usarei esta nova capacidade para posicionar este "quad" com câmara no local apropriado para filmar o resto desta demonstração.
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.
Então podemos interagir fisicamente com estes "quads" e podemos alterar as leis da física. Vamos divertir-nos um pouco com isto. No que vão ver a seguir, estes "quads" vão primeiro comportar-se como se estivessem em Plutão. Ao longo do tempo, a gravidade vai ser aumentada até regressarmos todos ao planeta Terra. mas garanto-vos que não chegaremos lá. Ok, aqui vai.
(Laughter)
(Risos)
(Laughter)
(Risos)
(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.
Ufa! Neste momento, estão todos a pensar: "Este tipos têm diversão a mais", e estão talvez a questionar-se: "Porque estão a construir máquinas-atletas?" Alguns conjeturam que o papel do jogo no reino animal é aperfeiçoar habilidades e desenvolver capacidades. Outros pensam que tem uma função mais social, que é usada para unir o grupo. De igual modo, usamos a analogia do desporto e da agilidade para criar algoritmos para as máquinas, para as levar aos seus limites. Que impacto terá a rapidez das máquinas no nosso modo de vida? Tal como as nossas criações e inovações do passado, podem ser usadas para melhorar a condição humana ou podem ser usadas de modo errado ou abusivo. A escolha que enfrentamos não é técnica, mas social. Façamos a opção correta, a opção que revela o melhor no futuro das máquinas, tal como a agilidade no desporto pode revelar o melhor em nós.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Deixem-me apresentar-vos os feiticeiros por detrás da cortina verde. São os atuais membros da equipa de investigação Arena das Máquinas Voadoras
(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 e Robin Ritz. Olhem para eles. Estão destinados a grandes feitos.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)