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.
Bem, o que significa para uma máquina ser atlética? Demonstraremos o conceito de atletismo da máquina e a pesquisa para alcançá-lo com o auxílio destas máquinas voadoras, chamadas quadricópteros, ou, na abreviação, 'quads'.
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' têm estado por aí durante um longo tempo. A razão por que eles são tão populares hoje é que são mecanicamente simples. Controlando as velocidades destes quatro propulsores, estas máquinas podem rolar, arfar, guinar e acelerar junto com uma orientação comum. A bordo, há 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 essa agilidade tem um custo. Eles são inerentemente instáveis e precisam de alguma forma de controle automático de retroalimentação para que sejam capazes de 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 ele fez isso? Câmeras no teto e um laptop atuam como um sistema interno de posicionamento global. É usado para localizar, no espaço, objetos que têm estes marcadores refletivos neles. Esses dados são enviados para outro laptop que está calculando estimativas e algoritmos de controle, e, por sua vez, envia comandos para o 'quad', que também está calculando estimativas e algoritmos de controle. O foco de nossa pesquisa são os algoritmos. É a mágica que dá vida para 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.
Então, como alguém projeta os algoritmos que criam a máquina atleta? Usamos algo amplamente chamado de projeto baseado no modelo. Primeiro capturamos a física com um modelo matemático de como as máquinas se comportam. A seguir, usamos um ramo da matemática chamado teoria do controle para analisar esses modelos e também para sintetizar algoritmos para controlá-las. Por exemplo, é assim que podemos fazer o 'quad' pairar. Primeiro capturamos a dinâmica com um conjunto de equações diferenciais. Então, trabalhamos essas equações com o auxílio da teoria do controle 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.
Permitam-me demonstrar o poder desta abordagem. Suponha que queiramos que este 'quad' não só paire mas também equilibre esta haste. Com um pouco de prática, é bem simples para um ser humano fazer isso, mesmo porque temos a vantagem de ter dois pés no chão e usar nossas mãos muito versáteis. Fica um pouquinho mais difícil quando eu tenho só um pé no chão e quando não uso minhas mãos. Note que esta haste tem um marcador refletivo no topo, o que significa que ela pode ser localizada no espaço.
(Audience) Oh!
(Aplausos)
(Applause)
(Applause ends)
Vocês podem observar que este 'quad' está fazendo ajustes mínimos
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 manter a haste equilibrada. Como projetamos os algoritmos para fazer isso? Acrescentamos o modelo matemático da haste ao do 'quad'. Quando temos um modelo do sistema combinado da haste e do 'quad', podemos usar a teoria do controle para criar algoritmos para controlá-lo. Aqui, você vê que ele está estável, e, mesmo que haja pequenos deslocamentos, ele volta para a posição de equilíbrio.
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.
Podemos também aumentar o modelo para incluir onde queremos que o 'quad' esteja no espaço. Usando este ponteiro, feito de marcadores refletivos, posso apontar para onde quero que o 'quad' esteja no espaço, a uma distância fixa 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, projetados com a ajuda de modelos matemáticos e teoria do controle.
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 a haste cair, e, a seguir, demonstrarei a importância de entender modelos físicos e o funcionamento do mundo físico. Observem como o 'quad' perdeu altitude quando coloquei este copo de água nele. Diferente da haste equilibrada, não incluí o modelo matemático do copo no sistema. De fato, o sistema nem mesmo sabe que o copo de água está lá. Como antes, eu posso usar o ponteiro para dizer ao 'quad' onde quero que ele esteja no espaço.
(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.
Ok, vocês devem estar se perguntando: por que a água não cai do copo? Dois fatores: o primeiro é que a gravidade age em todos os objetos da mesma maneira. O segundo é que os propulsores estão todos apontando para a mesma direção que o copo, apontando para cima. Você coloca essas duas coisas juntas, o resultado líquido é que todas as forças laterais no copo são pequenas e estão dominadas principalmente pelos efeitos aerodinâmicos, que nestas velocidades são insignificantes. E é por isso que você não precisa modelar o copo. Ele naturalmente não derrama, não importa o que o 'quad' faça.
(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 entender a física do problema mostra quais são fáceis e quais são difíceis. Neste exemplo, carregar um copo de água é fácil. Equilibrar uma haste 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 nós ouvimos histórias de atletas executando proezas quando estão fisicamente machucados. Uma máquina também pode manter o desempenho com dano físico extremo? A sabedoria convencional diz que você precisa de, no mínimo, quatro motores propulsores para voar, porque há quatro graus de liberdade para controlar: rolagem, arfagem, guinada e aceleração. Hexacópteros e octocópteros, com seis e oito propulsores, podem oferecer redundância, mas quadricópteros são muito mais populares porque têm o número mínimo de motores propulsores fixos: quatro. Têm mesmo?
(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 dois propulsores funcionando, descobriremos que há uma forma não convencional de fazê-la voar. Abandonamos o controle da guinada, mas rolagem, arfagem e aceleração ainda podem ser controladas com algoritmos que exploram essa nova configuração. Os modelos matemáticos nos dizem exatamente quando e por que isso é possível. Neste exemplo, este conhecimento nos permite projetar novas arquiteturas da máquina ou projetar algoritmos espertos que sutilmente lidam com o dano, exatamente como os atletas humanos fazem, em vez de construir 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 conseguimos deixar de prender a respiração quando vemos um mergulhador dar saltos mortais rumo à água, ou quando o saltador está girando no ar, o chão se aproximando rápido. O nadador conseguirá fazer uma boa entrada na água? O saltador cairá em pé? Suponha que queiramos que este 'quad' aqui dê três voltas e termine no exato local em que estava. Esta manobra vai acontecer tão rapidamente que não dá para usar 'feedback' para corrigir o movimento durante a execução. Simplesmente não há tempo bastante. Assim, o que o 'quad' pode fazer é realizar a manobra cegamente, observe como ele finaliza a manobra, e então usa essa informação para modificar seu comportamento para que a próxima volta seja melhor. Parecido com o nadador e o saltador, é apenas através da prática repetida que a manobra pode ser aprendida e executada no mais alto padrão.
(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?
Bater numa bola em movimento é uma habilidade necessária em muitos esportes. Como fazemos uma máquina desempenhar 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 raquete presa em seu topo com um ponto ideal do tamanho de uma maçã, portanto não muito grande. Os cálculos a seguir são feitos a cada 20 milissegundos, ou 50 vezes por segundo. Primeiro descobrimos aonde a bola está indo. Então, a seguir, calculamos como o 'quad' deve atingir a bola para que ela volte para onde ela foi atirada. Terceiro, é calculada uma trajetória que leve o 'quad' de seu ponto atual até o ponto de impacto com a bola. Quatro, executamos somente 20 milissegundos dessa estratégia. 20 milissegundos mais tarde, 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 podem realizar manobras dinâmicas não apenas sozinhas mas também coletivamente. Estes três 'quads' estão carregando em conjunto 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 realizam uma manobra extremamente dinâmica e em conjunto para lançar a bola de volta para mim. Observem que, com a rede completamente estendida, 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 fato, quando completamente estendida, isso é cerca de cinco vezes maior do que a sensação de um 'bungee jump' no final do 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 que um único 'quad' usaria para mandar a bola de volta para mim. Modelos matemáticos são usados para replanejar continuamente uma estratégia conjunta 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 que vimos até agora foi sobre as máquinas e suas capacidades. O que acontece quando emparelhamos o atletismo desta máquina com aquele do ser humano? O que tenho diante de mim é um sensor de movimentos comercial, usado principalmente em jogos. Ele pode reconhecer o que várias partes do meu corpo estão fazendo em tempo real. Parecido com o ponteiro que usei antes, podemos usar isso para enviar informações ao sistema. Agora temos uma forma natural de interagir com o atletismo destes 'quads' com meus movimentos.
(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. Ela pode ser física. Veja este 'quad', por exemplo. Está tentando permanecer em um ponto fixo no espaço. Se tento tirá-lo do caminho, ele compete comigo, e se move de volta para onde quer estar. Entretanto, podemos modificar esse comportamento. Podemos usar modelos matemáticos para estimar a força que estou aplicando no 'quad'. Quando conhecemos essa força, podemos também mudar as leis da física, no que toca ao 'quad', claro. Aqui o 'quad' está se comportando como se estivesse
We now have an intimate way of interacting with a machine.
em um 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.
Agora temos uma maneira familiar de interagir com uma máquina. Vou usar essa nova capacidade para posicionar este 'quad', que carrega uma câmera, no local adequado para filmar o restante 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.
Assim podemos interagir fisicamente com estes 'quads' e podemos alterar as leis da física. Vamos nos divertir um pouquinho com isto. Para o que verão a seguir, estes 'quads' inicialmente vão se comportar como se estivessem em Plutão. À medida que o tempo passa, a gravidade será aumentada até que estejamos de volta ao planeta Terra, mas asseguro que não chegaremos lá. Ok, lá vai.
(Laughter)
(Risadas)
(Laughter)
(Risadas)
(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! Agora estão todos pensando: esses caras estão se divertindo demais, e também, provavelmente, estão se perguntando: exatamente por que estão construindo máquinas atletas? Alguns presumem que o papel dos jogos no mundo animal é aprimorar habilidades e desenvolver capacidades. Outros acham que tem mais a ver com o papel social, que são usados para unir o grupo. De forma similar, usamos a analogia dos esportes e do atletismo para criar novos algoritmos para máquinas a fim de levá-las ao limite. Que impacto terá a velocidade das máquinas em nosso modo de vida? Como todas nossas criações e inovações passadas, elas podem ser usadas para melhorar a condição humana ou podem ser mal usadas ou se tornar abusos. Esta não é uma escolha técnica que enfrentamos; é uma escolha social. Façamos a escolha certa, a escolha que traga o melhor no futuro das máquinas, exatamente como, nos esportes, o atletismo 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.
Permitam-me apresentar os magos atrás da cortina verde. Eles são os membros atuais da equipe de pesquisa 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 e Robin Ritz. Olho neles. Estão destinados a grandes coisas.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)