Этот крошечный робот с искусственным интеллектом учится самостоятельно исследовать океан

Новый робот из Калифорнийского технологического института может использовать машинное обучение для навигации по неспокойным и неизвестным участкам океана.

Отредактировано 2023-25-06
Калтех CARL осьминогоподобный робот ИИ в водеОкеанографический робот с искусственным интеллектом, разработанный в Калифорнийском технологическом институте, может научиться ориентироваться без дистанционного управления и инженеров.

Океан велик, а наши попытки понять его все еще остаются в основном поверхностными. По данным Национальной организации океанических и атмосферных исследований, около 80 процентов большого синего океана "не нанесено на карту, не наблюдается и не изучено".

Основным способом сбора информации о морях являются корабли, но их частые посылки обходятся недешево. В последнее время роботизированные буи, называемые буями Арго, дрейфуют вместе с течениями, ныряя вверх и вниз для проведения различных измерений на глубине до 6 500 футов. Но новые водные роботы из лаборатории Калифорнийского технологического института могут погружаться глубже и выполнять более специализированные подводные задачи.

"Мы представляем себе подход к глобальному исследованию океана, когда вы берете рои небольших роботов различных типов и заселяете ими океан для отслеживания, изменения климата, понимания физики океана", - говорит Джон О. Дабири, профессор аэронавтики и машиностроения в Калифорнийском технологическом институте.

Появился CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning Robot), водный робот размером с ладонь, который выглядит как нечто среднее между капсулой с таблетками и осьминогом. У него есть двигатели для плавания, вес, чтобы оставаться в вертикальном положении, и датчики, которые могут определять давление, глубину, ускорение и ориентацию. Все, что делает CARL, управляется микроконтроллером, внутри которого находится 1-мегабайтный процессор размером меньше почтовой марки.

CARL - это последняя инновационная разработка лаборатории Дабири, созданная и напечатанная в 3D-формате аспирантом Калтеха Питером Гуннарсоном в домашних условиях. Первые испытания Гуннарсон провел в своей ванне, поскольку лаборатории Калтеха были закрыты в начале 2021 года из-за COVID.

В настоящее время CARL все еще может управляться дистанционно. Но для того, чтобы действительно добраться до самых глубоких частей океана, не может быть и речи о том, чтобы держать его за руку. Это означает, что исследователи не будут давать CARL указания - он должен научиться самостоятельно ориентироваться в могучем океане. Гуннарсон и Дабири обратились к компьютерному ученому Петросу Кумутсакосу, который помог разработать алгоритмы искусственного интеллекта для CARL, способные научить его ориентироваться на основе изменений в ближайшем окружении и прошлого опыта. Их исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature Communications.

CARL может на лету корректировать свой маршрут, чтобы обойти бурные течения и добраться до места назначения. Или же он может оставаться на месте, используя "минимальную энергию" от литий-ионного аккумулятора.

Сила КАРЛа заключается в воспоминаниях

Набор алгоритмов, разработанных Кумутсакосом, может выполнять вычисления по поиску пути на борту маленького робота. Алгоритмы также используют память робота о предыдущих встречах, например, о том, как пройти водоворот. "Мы можем использовать эту информацию, чтобы решить, как ориентироваться в таких ситуациях в будущем", - объясняет Дабири.

Программирование CARL позволяет ему запоминать пути, пройденные в предыдущих миссиях, и "в ходе многократных опытов все лучше и лучше отбирать пробы океана с меньшими затратами времени и энергии", - добавляет Гуннарсон.

Многое в машинном обучении делается в моделировании, где все точки данных чисты. Но перенос этих данных в реальный мир может быть нелегким делом. Датчики иногда перегружены и могут не улавливать все необходимые метрики. "Мы только начинаем испытания в физическом резервуаре", - говорит Гуннарсон. Первый шаг - проверить, может ли CARL выполнять простые задачи, такие как многократное погружение". На коротком видео в блоге Калтеха показано, как робот, неуклюже покачиваясь, погружается в резервуар с неподвижной водой.

Водный робот CARL ныряет в вертикальный резервуар, за ним наблюдает исследователь из Калифорнийского технологического институтаКалтех

По мере продвижения испытаний команда планирует поместить CARL в резервуар, похожий на бассейн, с небольшими форсунками, которые могут генерировать горизонтальные течения, по которым он сможет перемещаться. После этого робот переместится в двухэтажное сооружение, имитирующее восходящие и нисходящие течения. Там ему придется понять, как поддерживать определенную глубину в регионе, где окружающая вода течет во всех направлениях.

"В конечном итоге, однако, мы хотим, чтобы CARL оказался в реальном мире. Он покинет гнездо и отправится в океан, и в результате многократных испытаний там его цель будет заключаться в том, чтобы он научился самостоятельно ориентироваться", - говорит Дабири.

Во время тестирования команда также настроит датчики в CARL и на нем. "Один из вопросов, который у нас возник, - какой минимальный набор датчиков можно установить на борту для выполнения поставленной задачи", - говорит Дабири. Когда робот оснащен такими инструментами, как LiDAR или камеры, "это ограничивает способность системы долго находиться в океане, прежде чем придется менять батарею".

Облегчив нагрузку на датчики, исследователи смогут продлить срок службы CARL и освободить место для добавления научных приборов для измерения pH, солености, температуры и т.д.

Программное обеспечение CARL может вдохновить следующую бионическую медузу

В начале прошлого года группа Дабири опубликовала работу о том, как они использовали электрические разряды для управления движениями медузы. Возможно, что добавление чипа, содержащего алгоритмы машинного обучения, аналогичные алгоритмам CARL, позволит исследователям лучше управлять медузами в океане.

"Выяснение того, как этот навигационный алгоритм работает на настоящей живой медузе, может занять много времени и усилий", - говорит Дабири. В этом отношении CARL представляет собой испытательный сосуд для алгоритмов, которые в конечном итоге могут быть внедрены в механически модифицированные существа. В отличие от роботов и роверов, эти медузы не будут иметь ограничений по глубине, поскольку биологи знают, что они могут существовать в Марианской впадине, на глубине около 30 000 футов под поверхностью.

CARL сам по себе может стать полезным активом в мониторинге океана. Он может работать вместе с существующими приборами, такими как буи Argo, и отправляться в одиночные миссии для проведения более тонких исследований, учитывая, что он может приблизиться к морскому дну и другим хрупким структурам. Он также может отслеживать биологические организмы, например, косяки рыб.

"Возможно, когда-нибудь в будущем вы представите себе 10 000 или миллион CARL (мы дадим им другие названия, я думаю), которые выйдут в океан, чтобы одновременно измерить регионы, к которым мы просто не можем получить доступ сегодня, чтобы получить картину изменения океана во времени", - говорит Дабири. "Это будет очень важно для моделирования прогнозов климата, а также для понимания того, как работает океан".