ایده‌ی روبات‌های ریزِ حشره‌ای

جنگیسِ شش‌پا با گام‌های آرام اما مصمم، راه خود را از میان کف‌پوش آبی رنگ باز می‌کرد و به آرامی به سوی شخصی که او را با چشم‌های فروسرخ خود تشخیص داده بود نزدیک می‌شد. اما جنگیس، غول سرگرم کننده‌ی مهمانی‌های پایان هفته نبود (هرچند وضع غریب و مضحک آن یادآوری از گودزیلا بود)، بلکه روباتی دارای هوش مصنوعی بود، هرچند روباتی که به اندازه‌ی حشرات کم استعداد بود.
جنگیس و روبات جای‌گزین آن آتیلا، نمایانگر ره‌یافتی میانبر در پژوهش هوش مصنوعی بودند و اعقاب این روبات‌ها به ساختن آینده‌ای کمک می‌کنند که بیش‌تر شبیه داستان‌های علمی-تخیلی است و در آن روبات‌ها قطعه‌ای از خاک مریخ را به دنبال نشانه‌های حیات می‌کاوند، در کارخانه‌های اشباع از پرتوهای رادیواکتیو خود را به مخاطره می‌اندازند، و منابع کلسترول را در شریان‌های انسان می‌تراشند و از بین می‌برند.
رادتی بروکز دانشیار علوم کامپیوتری در انستیتوی تکنولوژی ماساچوست گفت: «از زمانی که ده ساله بودم هوش مصنوعی مشغله‌ام بوده است. به عقیده‌ی من، سؤال‌های جالبی نظیر این که ما چه هستیم و چگونه فکر می‌کنیم را می‌توان با ساختن صورت‌های ترکیبی پاسخ گفت.» پژوهش سنتی هوش مصنوعی (AI) مترادف با پیش‌رفت کامپیوترهای عظیم در مقابل برنامه‌های پیچیده بوده است زیرا دانشمندان تلاش می‌کنند که ماشین را وادار به داشتن فرایندهای فکری مستقلی کنند که بشر به آسانی انجام می‌دهد. اما وقتی بروکز، که متولد استرالیاست، ربع قرن پیش کار بر روی ره‌یافت تازه‌ی خود را شروع کرد، راهنمای کار خود را از انسان‌ها برنگزید، بلکه آن را از شکل ساده‌تر زندگی، یعنی حشرات انتخاب کرد.
کولین انگل دانشجوی فوق لیسانس آن زمان و هماهنگ کننده‌ی روبات‌های راه رونده‌ی آزمایشگاهِ روبات‌های متحرک MIT بیان داشت: «هرچند سیستم عصبی حشرات بسیار ساده و مختصر است، اما در عمل در محیط واقعی بسیار موفق‌اند.» بروکز برای تقلید از این توانایی حشرات، طرحی روباتیک مبتنی بر مجموعه‌ای از بازتاب‌های غیرارادی ابداع کرد – خود او این بازتاب‌ها را «رفتار» نامید – و این بازتاب‌ها آزادانه هماهنگ می‌شدند تا هدف مشترکی را تحقق بخشند، هدفی مثل راه رفتن روبات یا بالا رفتن آن از روی یک شیء. چنین سیستمی، اطلاعاتی را که برای وظیفه‌ی خاصی دارد ذخیره نمی‌کند؛ درعوض بر مبنای اطلاعات بلاواسطه‌ای که حس‌گرهایش (سنسورهایش) می‌دهند عمل می‌کند. این روش، یعنی دست‌یابی به وظایف پیچیده به کمک تسلط بر توانایی‌های مبنا، ره‌یافتِ «bottom up» نامیده شده است.
انگل بیان کرد: «وقتی مجموعه‌ی غنی رفتارها را با روبات‌ها بسازید، درمی‌یابید که وظیفه‌ای ظاهراً مشکل، و درک شما از آن وظیفه، بسیار ساده شده است.» اولین روبات انگل که قادر به تفکر بود روباتی به نام آلن با قد صد و پنج سانتیمتر بود که در سال 1986 میلادی ساخته شد و می‌توانست از موانع اجتناب کند، در امتداد دیوار راه برود، و در را پیدا کند. خیلی زود روبات دیگری به نام هوبرت جای‌گزین آلن شد که تعداد حس‌گرهای آن افزایش یافته بود و یک بازویِ به‌چنگ گیرنده نیز به آن افزوده شده بود. این روبات در گرفتن قوطی‌های نوشابه از روی میزهای آزمایشگاه استعداد خاصی داشت.
اما هوبرت صرف‌نظر از تعداد قوطی‌هایی که برمی‌داشت، دارای محدودیت‌هایی بود. مثلاً چرخ‌های آن فقط بر روی سطوح صیقلی عمل می‌کرد و نه بر روی همه‌ی بافت‌های متنوعی که در محیط کنترل نشده وجود دارد. بنابراین چند سال بعد پژوهشگران روبات‌های پاداری ساختند که قادر به راه رفتن بر روی زمین‌های مختلف باشند. حاصل کار، روبات جنگیس بود که توسط انگل ساخته شد. وی در آن زمان هنوز فارغ‌التحصیل نشده بود. برنامه‌ریزی این روبات را بروکز انجام داد. جنگیس نیروی خود را از همان باتری‌های ذخیره‌ای به دست می‌آورد که برای مدل‌های مسابقه‌ای به کار می‌برند. قدش سی سانتیمتر بود و شجاعانه راه خود را از میان کتاب‌هایی که پژوهشگران بر سر راهش چیده بودند باز می‌کرد. بعدها روبات‌های حشره‌مانندِ دیگری ساخته شد و گروه پژوهشی MIT نام دیگری به دست آورد: آزمایشگاه حشرات. طرح بعدی انگل روبات آتیلا بود، روبات شش‌پای دیگری که پس از تکمیل، تجهیزات حسی و پاهایی برای پیمودنِ شیب‌های تند داشت. در اوجِ کارِ این آزمایشگاه، پژوهشگران امیدوار بودند که آتیلا نمونه‌ی اولیه‌ی روبات‌هایی باشد که برای کار در فضا و سایر کاربردها ساخته می‌شوند.
بلوک‌های سازنده‌ی هوش مصنوعی در نزد بروکز عبارت بود از پاسخ‌های ابتدایی به تحریک‌ها. از این رو قسمتِ اعظم «اندیشه»‌ی جنگیس به طور متراکم توسط حس‌گرهایی که در سر و شش پای او قرار داشت تحریک می‌شد. در ره‌یافتِ AI، توان محاسباتی این روبات متوسط بود. انگل در این مورد گفت: «توان مغز کامپیوتری جنگیس به اندازه‌ی توان کامپیوتر شخصی IBM است و مغز آتیلا شبیه کامپیوتر مکینتاش II شرکت اَپِل است.»
روبات‌ها از کارهای خود تجربه می‌آموزند. انگل در این زمینه مثالی زد: هر پا ریزپردازنده‌ای دارد که به آن فرمان بلند شدن یا فرود آمدن می‌دهد. این ریزپردازنده با توجه به پاهای دیگر و حرکات آن‌ها، هماهنگی با بقیه‌ی حرکت‌های روبات را می‌آموزد. اگر پاها به ترتیبی حرکت نکنند که اجازه‌ی راه رفتن به روبات بدهد، اولین ریزپردازنده درمی‌یابد که باید هنگامی که پاهای معین دیگر بلند شده‌اند مانع از بلند شدن پای مربوط به خود شود. «در نهایت هر پا درمی‌یابد که به ازای چه مقادیری، روبات می‌تواند بدون زمین خوردن حرکت کند.» انگل گفت: «نکته‌ی کلیدی این‌جاست. آموختنِ راه رفتن کار پیچیده‌ای نیست، زیرا روبات از زمانی که پایش را بلند می‌کند تا زمانی که پایش به زمین می‌خورد پس‌خوردِ مستقیم دارد.»
این رفتارها آزادانه با رفتارهای پیچیده‌تر پیوند می‌یابند و گستره‌ی انواع موقعیت‌هایی که روبات می‌تواند از سر بگذراند را وسعت می‌بخشند. انگل گفت: «لایه‌های رفتاری مختلف را در جنگیس برنامه‌ریزی کرده‌ایم، به نحوی که مثلاً هر پا می‌تواند تعدادی رفتار داشته باشد و رفتارهای متمرکزی نیز وجود دارد. اما هر رفتار به تنهایی نمی‌تواند کار زیادی انجام دهد.» آن‌چه که به روبات‌ها امکان می‌دهد چندین حرکت را در یک لحظه هماهنگ کنند، به نحوه‌ی اندرکنش این رفتارها بستگی دارد. برخلاف روش AI سنتی، که در آن ماشین در چند مرحله فکر می‌کند، رفتار این روبات‌ها به صورت موازی تنظیم شده است: هر رفتار در موقع لازم وارد کار می‌شود و لزوماً با دیگر رفتارهای درحالِ عمل تداخل ندارد.
بروکز بیان کرد: «می‌توانم مثال مشابهی برای شما بزنم. فرض کنید به شما می‌گویم که چگونه از دفتر من به طرف آسانسور بروید. ممکن است بگویم از این در بیرون برو، راهرو را طی کن، بعد از در شیشه‌ای به طرف راست بپیچ، و بعد به سمت چپ بپیچ. من نمی‌گویم راستی مواظب باش که در راه با چیزی برخورد نکنی. روبات هم فرضاً همین کار را می‌کند.» الگوهای «اندیشه»ی جنگیس نیز به همین طریق کار می‌کرد. بروکز گفت: «مثلاً برخی از رفتارهای پیچیده‌تر جنگیس ممکن است با حس‌گرهای فروسرخ آن کار کنند. وقتی حس‌گرها شخصی را آشکار می‌کنند این رفتارها پیام‌هایی به پاهای سمت چپ می‌فرستند و مثلاً می‌گویند به عقب برنگرد تا روبات را مجبور کنند که شخص را دنبال کند. اکنون از نظر مختصات راه رفتن نگرانی‌ای در مورد این رفتارهای خاص وجود ندارد؛ این رفتارها تنها راه رفتن را بر اساس آن‌چه حس‌گرهای روبات می‌گویند تنظیم می‌کنند. در خارج از این فرایند، روبات شخصی را دنبال می‌کند در حالی که با خوش‌حالی از موانع می‌گذرد و سایر کارهای عادی را انجام می‌دهد.» بروکز می‌گفت که چون رفتارها به صورت موازی تنظیم شده‌اند به آسانی می‌توان رفتارهای پیچیده‌تر را اضافه یا کم کرد بدون این که مجبور باشیم به خاطر پیچیدگی بیش‌تر، رفتارهای ساده را تغییر دهیم.
انگل گفت: «هدف طرح من ساختن موجودات مصنوعی یا روبات‌هایی است که بتوانند آزادانه در این جهان حرکت کنند و تنها کاری که بتوانند انجام دهند این باشد که اگر در مورد زمینِ زیر پای خود اطلاعات کافی داشته باشند، بتوانند به حیات خود ادامه دهند.» برای این منظور، دستگاه‌های مکمل جنگیس و آتیلا به خوبی به روبات‌ها کمک می‌کردند. انگل گفت: «پاها عالی هستند. اگر حس‌گری روی آن‌ها قرار دهید، تنها با راه رفتن روبات می‌توانند بسیاری چیزها در مورد محیط به شما بگویند. به دست آوردن همین مقدار اطلاعات از طریق چرخ‌ها تقریباً غیرممکن است، زیرا در آن صورت لازم است که روبات هر ذره‌ی زمین زیر پای خود را حس کند و مسأله‌ی حس کردنِ پیوسته به وجود می‌آید. اما پاها تنها در نقطه‌های معینی فرود می‌آیند و بنابراین میزان اطلاعات لازم برای ایمنی روبات را به نحو چشم‌گیری کاهش می‌دهند.»
قطعات حس‌گرهای لازم برای چنین روبات‌های هوشمندی به نحو اعجاب‌آوری در دسترس‌اند. انگل توضیح داد: «تمام حس‌گرهای ما از عناصر رایج و متداول ساخته شده‌اند، اما ما آن‌ها را به صورت معمول سر هم می‌کنیم. مثلاً ممکن است گزینش‌سنج ساخت یک شرکت را با تقویت کننده‌ی توان شرکت دیگر ترکیب کنیم.» آتیلا نیز با تجهیزات حس‌گر راه می‌رود. انگل می‌گفت: «آتیلا صد و پنجاه حس‌گر از دوازده نوع مختلف دارد. هر پا یک حس‌گر مجاورتی دارد که وقتی روبات در پنج سانتیمتری مانع قرار گرفت خبر می‌دهد. حس‌گر دیگر پا، پایین را نگاه می‌کند و از طریق نور حس می‌کند که آیا پا با کف زمین تماس دارد یا نه. وقتی که روبات چیز بسیار نرمی را لمس می‌کند و دیگر حس‌گرها متوجه آن نمی‌شوند، این حس‌گر خبر می‌دهد.»
حس‌گر سوم پا، رنگ کف را نشان می‌دهد. انگل توضیح می‌داد که «با این ترکیب حس‌گرها، روبات می‌تواند دریابد که اگر بر روی چیز نرم و سبز رنگی حرکت می‌کند ، پس بر روی چمن حرکت می‌کند، و به این ترتیب با این که حس‌گرهای مجاورتی چیزی در جلوی روبات نشان می‌دهند روبات تصمیم می‌گیرد که (برای رد شدن از مانع) پایش را بیش از اندازه بلند نکند و حرکتش را دچار تأخیر نسازد.»
در اطرافِ سر حشره مانند آتیلا ریشه‌های حس‌گرهای لامسه قرار داده شده بود که اشیاء نزدیک را لمس می‌کرد. بر روی سر یک دوربین CCD (charge coupled device)، یک شیب‌سنج فراز و نشیب برای تعادل و یک دوربین نجومی با گستره‌ی نقطه‌ای قرار گرفته بود که این دوربین باریکه‌ی پیمایشگر نور فروسرخ می‌فرستاد تا ببیند که موانعی که بر سر راهش ظاهر می‌شوند در چه فاصله‌ای قرار گرفته و آیا آن‌قدر بزرگ هستند که بتوان از آن‌ها بالا رفت. انگل توضیح داد که «ژیروسکوپی هم وجود دارد که به روبات بگوید سطح مستقیم کجاست. می‌توانید تصور کنید که روبات ممکن است در هنگام بالا رفتن از موانع واژگون شود، اما با داشتن ژیروسکوپ می‌تواند مسیر ثابتی را حفظ کند.»
یکی از تغییراتی که هوش مصنوعی به روبات می‌دهد آن است که روبات می‌تواند مانند انسان در برابر هر موقعیت، به صورت‌های مختلف پیش‌بینی نشده‌ای واکنش نشان دهد. انگل گفت: «در سیستم واکنشی، زمین مسیر روبات را تعیین می‌کند. اگر شما شخصی را که ده بار در میدانی پر از قلوه سنگ می‌دود ببینید درمی‌یابید که او هر بار این کار را به صورت متفاوتی انجام می‌دهد اما به طریقی که زانویش در نرود یا سکندری نخورد و به زمین نیفتد. به صورت مشابه، وقتی روبات‌های ما از زمینی می‌گذرند، تقریباً غیرممکن است که بتوان پیش‌بینی کرد که هر گام چگونه فرود می‌آید.» «مسأله این‌جاست که به روبات واکنش‌های مناسب بدهیم به نحوی که بتواند با استواری حرکتش را ادامه دهد و یا بدون سکندری خوردن از موانع بگذرد. درواقع عادلانه نیست که انتظار داشته باشیم هر بار همان کار را انجام دهد، و اگر چنین کند، سیستمِ بسیار کسالت‌باری خواهد بود.»
پژوهشگران MIT شرایط ویژه‌ای برای آزمودن روبات‌های خود در موقعیت‌های سختِ «دنیای واقعی» به وجود آوردند. انگل ‌گفت: «اخیراً اتاقی را پر از صخره و قلوه سنگ کردیم و می‌خواهیم برای آتیلا دیوارهای صعود هم بسازیم.» آتیلا که کفل‌های چرخانی هم برایش گذاشتند می‌توانست از دیوارهای با شیب هشت‌صد بالا برود. انگل اضافه کرد: «من فکر می‌کنم عامل محدود کننده در بالا رفتن، اصطکاک بین پاها و سطح باشد. آتیلا باید مانند انسان، یعنی با پیدا کردن جای پا، از صخره بالا برود.» «ما خود را به کار در محیط‌های حقیقی و با موارد حقیقی مجبور می‌کنیم. یکی از مبانی اعتقادی ما انجام ندادن شبیه‌سازی کامپیوتری است.»
حتی وقتی که آتیلا اولین گام‌های احتیاط‌آمیز خود را برمی‌داشت، پژوهشگران آزمایشگاه حشرات با دیگر انواع روبات‌ها، مرزهای AI را به عقب می‌راندند. هدف یکی از این طرح‌ها به سرپرستی آنیتا فلین، کوچک کردن اندازه‌ی روبات‌ها به صورت چشم‌گیر بود. خانم فلین می‌گفت: «آن‌چه باعث نگرانی روبات‌ها می‌شود مصالح دارای تکنولوژی پیچیده نظیر هوش یا حس‌گرها نیست، بلکه موتورها و باتری‌ها و سیم‌های رابط با تکنولوژی پایین است. طبقه‌بندی به این صورت است.» وی عقیده داشت پس چرا نباید موتورها و باتری‌های معمولی را کنار بگذاریم و به جای آن‌ها صورت‌های میکروماشینی ریز آن‌ها را به کار ببریم. وی اضافه کرد: «با بزرگ کردن روبات جمع کننده‌ی اطلاعات، چیزی به دست نمی‌آوریم. اما اگر این روبات آسان ساخته شود و ارزان باشد بسیار سودمند است. بالاخره چون اطلاعات وزنی ندارد، روبات شما هم نباید وزن زیادی داشته باشد.»
انگل بیان کرد: «ایده‌ی ما آن است که تمام روبات– حس‌گرها، موتورها، و کامپیوترها – را روی یک تراشه جمع کنیم.» این ماشین‌ها که «پشه» نامیده شده‌اند اندازه‌ای برابر با یک میلیمتر مکعب خواهند داشت. اما برای کارهایی که می‌کنند حدی وجود ندارد. اگر بر روی مزرعه‌ای پاشیده شوند می‌توانند کاه‌ها را جدا کنند و آفت‌ها را بکشند. اگر انسان آن‌ها را بخورد، می‌توانند درون شریان‌ها شنا کنند و آن‌ها را تمیز کنند. انگل اضافه کرد: «توانایی بیرون دادن میلیون‌ها از این روبات‌های ریز با استفاده از فنونی که اکنون برای تراشه‌های کامپیوتری به کار می‌رود هیجان‌انگیز است. به این ترتیب مردم وادار می‌شوند که در باره‌ی روبات‌ها به گونه‌ای دیگر بیندیشند.»
خانم فلین گفت: «این روبات‌ها شبیه خودکارند. خودکار فقط به این دلیل برای شما ارزشمند نیست که همیشه از آن استفاده می‌کنید، بلکه به این دلیل نیز هست که قیمت آن نیز ارزان است. اگر روباتی وجود داشته باشد که بتواند به راه‌های مختلف به شما کمک کند و خیلی هم گران نباشد ارزش خریدن دارد.»
اما این ماشین‌های ریز بیش‌تر جنبه‌ی نظری دارند تا جنبه‌ی واقعی. خانم فلین ادامه داد: «تنگنای کار، میکروموتورهاست. میکروموتورهایی که تاکنون ساخته شده‌اند برای این کاربرها قدتی کافی ندارند. بنابراین ما بر روی ساختن موتوری با گشتاور بیش‌تر کار می‌کنیم.» حداقل یک شخص مهم قانع شد که طرح خانم فلین قابل دستیابی است و او راس بروت، تاجر معروف در زمینه‌ی الکترونیک، بود. بروت تأسیساتی بنا نهاد که پاداش پژوهش‌های خانم فلین باشد. خانم فلین اظهار داشت: «اگر این طرح موفق از کار درآید، شرکت به ساختن میکروموتورها علاقه‌مند است.»
صورت‌هایی از جنگیس و آتیلا در دسترس همه قرار گرفت. شرکت نرم‌افزاری آی اس و ربوتیکز در کالیفرنیا که حقوق روبات‌های راه‌رونده‌ی MIT را خرید تصمیم گرفت که آن‌ها را برای مقاصد مختلف به بازار عرضه کند. مدیر اجرایی این شرکت گفت: «دردسترس‌ترین بازار موجود، بازار مصرف برای مقاصد پژوهشی و آموزشی است. پژوهش‌های زیادی در مورد نرم‌افزار روبات‌ها جریان دارد. اشخاص زیادی مایلند که روبات‌هایی نظیر این‌ها داشته باشند ولی نمی‌دانند که چگونه آن‌ها را به صورت مکانیکی یا برقی تکثیر کنند.»
این شرکت کاربردهای تجاری مختلفی را نیز ارزیابی کرد. همین مدیر گفت: «ما می‌توانیم روبات کوچکی بسازیم که دوربین ویدئو را برای فیلم‌برداری بچرخاند و یا فیلم سینمای خانه‌تان را برای شما پخش کند.» روزی محصولات ارزان‌تری نیز تولید می‌شود که خانه را برای شما جارو کند. وی ادامه داد: «رادنی بروکز روبات همه چیز سرخود را متصور می‌شود که شما می‌خرید و آن را در حیاط رها می‌کنید تا علف‌های هرز حیاط شما را وجین کند و نیروی آن هم توسط باتری خورشیدی تأمین شود.» کارِ دیگرِ روبات‌ها انجام وظایفی است که برای انسان بسیار مخاطره‌آمیز است. «به یاد دارید که هنگام زلزله‌ی سانفرانسیسکو، آن همه مردم، زیر پل فروریخته گیر افتادند. اگر تکنولوژی لازم را داشتیم می‌توانستیم روباتی را همراه دوربین تلویزیونی و چراغ به جستجوی آن ناحیه بفرستیم و خطری هم برای مأموران نجات وجود نداشت.»
هم انگل و هم مدیر مزبور عقیده دارند که مهیج‌ترین امکان استفاده از روبات‌ها برای کاوش‌های فضایی است. انگل می‌گوید: «می‌توانیم سی عدد از این روبات‌ها را با قیمت ارزان بسازیم. در این صورت در مقایسه با هنگامی که یک روبات بزرگ دارید، سطح بزرگ‌تری از مریخ را می‌توانید زیر پوشش قرار دهید.» استفاده از چندین روبات، کاوش در نواحی خطرناک را هم امکان‌پذیر می‌کند. اگر چند تایی آسیب دیدند، بقیه مشغول جمع‌آوری داده‌ها خواهند بود. انگل اضافه کرد: «به علاوه اگر چندین ماشین کوچک پشتیبان یک ماشین بزرگ باشند، مانع از به وجود آمدن اتفاقی مثل واقعه‌ی تلسکوپ هابل می‌شوند.» (محاسبه و طراحی این تلسکوپ با تلاش فراوان انجام شد، و از آن‌جا که طراحان تلسکوپ از محاسبات خود کاملاً مطمئن بودند، ساخت نمونه‌ی اصلی تلسکوپ، بدون آزمون، شروع شد، و پس از صرف هزینه‌ای گزاف و زحماتی طاقت‌فرسا، تلسکوپ ساخته شد، اما مشاهده شد که اعوجاج دارد.)