סיקור מקיף

עוזרים מסיליקון – על תפקיד הרובוטים בחקר החלל

כדי לחקור את מערכת השמש שלנו יידרש גזע חדש של רובוטים אינטליגנטיים

Science at NASA

למעלה: המחשה אמנותית של סייר אנושי וסייר רובוטי עובדים יחד על המאדים. מזכה: John Frassanito & Associates.
למעלה: המחשה אמנותית של סייר אנושי וסייר רובוטי עובדים יחד על המאדים. מזכה: John Frassanito & Associates.

קישור ישיר לדף זה:https://www.hayadan.org.il/robo_helpers.html

כשהוא צועק "תביא, רובר!" האיש זורק פריזבי הרחק לקצה החצר. הכלב שלו סתם עומד ולא עושה כלום.

אה, כן, הוא חושב, שכחתי. "רובר! הסתובב בכיוון השעון עד שתפנה לצפון-צפון-מערב, נוע קדימה עשרה-נקודה-חמישה מטרים ואז עצור, הורד את ראשך ארבעה עשר סנטימטרים ואז סגור את פיך על הפריזבי" הוא מורה. "ולאחר מכן… חזור!"

הכלב מדלג לקצה החצר, רק כדי לחזור בפה ריק. הפריזבי היה רחוק בשני ס"מ ממה שהאיש אמר – אבל הכלב לא היה מסוגל לבצע את התיקון הקטן הזה בעצמו. אז האיש נותן שוב את ההוראה המייגעת, כשהפעם הוא אומר "עשר-נקודה-חמש-שתיים".

רובר משחק בלהביא את הפריזבי. לורנס מאנינג.

לשחק ככה זה בכלל לא כיף!

אבל זה יכול היה להיות יותר גרוע. מה אם היית אסטרונאוט שזה עתה נחת על פני המאדים ורובר היה העוזר הרובוטי שלך? כשיש לך רק כמה חודשים יקרים לחקור את המאדים, רובר יהיה בזבוז זמן אדיר. בלי היגיון בריא וגמישות, רובר יכול אפילו לסכן אותך בסביבתו הבלתי סלחנית של כוכב רחוק. הוא עשוי למלא בצורה עיוורת הוראות שיגרמו לו לפגוע בציוד חיוני, והוא יתעלם מבקשות בשפה פשוטה של אסטרונאוט במצוקה.

רכב השטח סוג'ורנר שחקר את פני המאדים ב-1997 פעל בדומה לכלב חסר האונים שלנו. צוותים של מדענים כאן על כדור הארץ היו צריכים להזין את סוג'ורנר בהוראות מדויקות של צעד-אחר-צעד לכל משימה שביצע. אם הרכב פגע במכשול, הוא פשוט עצר וחיכה. המדענים היו צריכים לומר לו בדיוק כיצד להתגבר על הבעיה. לקח ימים לבצע משימות פשוטות.

אבל סוג'ורנר בכל זאת הצליח תודות לכושר ההמצאה והסבלנות של מפעיליו. עם זאת, הרבה יותר היה אפשרי. אם אנחנו רציניים לגבי חקר מערכת השמש, אומרים מתכנני המשימות, אנו חייבים לבנות רובוטים חכמים יותר ובעלי יכולת רבה יותר.

רובוטים עם הגיון בריא

"במהלך העשור הבא", אומר הרובוטיקאי של NASA Ames ליאם פדרסון, "כנראה שלא תהיה נוכחות אנושית הרבה מעבר למסלול של כדור הארץ. כך שאם ברצוננו לחקור מקומות כמו המאדים, יהיה עלינו לשלוח רובוטים. אין רובוטים, אין חקר חלל. נקודה".

"שידור הוראות מפורטות לרובוטים שהם במהותם טיפשים הוא מאוד יקר ולא יעיל – בעיקר כאשר יש הרבה מה לעשות", הוא מוסיף. לדוגמה: רובוטים המסיירים על המאדים, אולי כהקדמה לחקר מאויש, יכסו שטחים נרחבים, הם ידגמו מאות סלעים, יקדחו בורות בחיפוש אחרי מים קפואים ויצלמו אלפי תמונות. "אם לכל אחת מהפעולות האלו יידרשו כמה ימים וצבא של אנשי בקרה… טוב, אפשר להבין איך העלות עולה".

בשנת 1997, רכב השטח סוג'ורנר "מרחרח" סלע מאדימי ששמו יוגי.

האנשים הראשונים על המאדים יהיו עסוקים בדיוק כמו הסיירים שקדמו להם. האסטרונאוטים יצטרכו להקים את הבסיס הראשון על עולם חוצני וללמוד לשרוד במקום שלעומתו אנטארקטיקה נראית נעימה. ובעודם עסוקים בזאת, הם יאספו אלפי מדידות עבור המדענים שבארץ.

"זמנו של האסטרונאוט יהיה יקר יותר מזהב אכיל", אומר פדרסן. "הם יזדקקו לעוזרים רובוטיים חכמים".

כמה חכמים? אותה האינטליגנציה שבדרך כלל אנו מניחים כמובנת מאליה אצל חיות תספיק, אומר פדרסן. חיות מבחינות ללא מאמץ בין העצמים שבסביבתן בהתבסס על קלט מהחושים שלהן. הן מסוגלות לזהות איומים, והן מבינות אינטואיטיבית כיצד עצמים נעים ומתנהגים. הן יכולות לזהות מטרות – כגון חתיכה קטנה ומתרוצצת של מזון – ואז לתכנן ולבצע את כל הפעולות כדי להשיג אותה. והן יודעות את מגבלות האנרגיה, הכוח, הטמפרטורה והסיבולת שלהן ונזהרות שלא לחרוג מהן.

לגרום לרובוט לעשות את כל זה אינו פשוט.

אומר פדרסן, "נסה ללמד רובוט את הדבר הפשוט הבא: 'אינך יכול להפוך כוס מים כי המים יישפכו החוצה'. עבורנו, זה ברור לחלוטין. זה הגיון בריא. אבל אם אתה רוצה שמכונה תבין זאת, עליך לומר זאת במפורש בפירוט מיגע".

מוחות המחשב של רובוטים רגילים פועלים בעיקרון כפי שפועלים המחשבים הביתיים: הם מבצעים תוכנית קבועה של לוגיקת "אם-אז" וחישובים. המהירות והדיוק של הגישה הזאת הופכים את המחשבים לטובים ביותר במשימות מצומצמות ומתמחות. אבל היא גם עושה אותם לבלתי גמישים. עמת רובוט רגיל עם מצב שמחוץ לתחום התכנות שלו ואין לו שום מושג כיצד להגיב.

מתברר שקשה מאוד לשכפל את כושר ההסתגלות ויכולת פתרון הבעיות המקורית של בני האדם (ושל בעלי חיים רבים).

לימוד מהניסיון

בכל זאת, מעשה טלאים של גישות לחישוב גמיש יותר עלו. ביניהן טכנולוגיות כגון תורת ההסתברות, תכנות גנטי, זיהוי שפות טבעיות ורשתות עצביות. כל אחת מאפשרת להוסיף למידה או גמישות לרובוט.

לדוגמה, מדענים באוניברסיטת קרנגי מלון לימדו רובוט לנהוג מכונית באופן אוטומטי ב-98% מנסיעה שחצתה את ארצות הברית – פרויקט שנקרא בחוכמה "חוצה אמריקה בלי ידיים" (No Hands Across America). בתחילה אימנו את הרובוט על ידי כך שהוא נסע במכונית וצפה באדם הנוהג במכונית. הרובוט למד לשייך קלטים חזותיים מסוימים לתגובות ההיגוי הנכונות.

"המוח" של הרובוט הזה היה הדמיית מחשב של רשת עצבית, המחקה באופן בסיסי את הארכיטקטורה של מוחות של חיות. אותות קלט מעובדים על ידי רשתות של "צמתים" (נוירונים) ו-"קשרים" (אקסונים). רשתות עצביות לומדות מהניסיון ויכולות לשייך קלטים כלליים לפלטים ספציפיים: ארבע רגליים + נביחה (הקלטים) = כלב, לדוגמה.

בתמונה: דוגמה שוטה של רשת עצבית. אותות קלט נכנסים משמאל, עוברים דרך שתי שכבות העיבוד ולאחר מכן מופיעים מימין כאותות פלט. הארכיטקטורה הזאת יכולה לבצע לוגיקה מתוחכמת להפליא, בייחוד כאשר מוסיפים לולאות משוב.

אתר העוסק ברשתות עצביות

פדרסון מזהיר שהבנתנו את דרכי הפעולה הפנימית של מוחות אורגניים אינה מספיקה כדי לחקות אותם במדויק. "למרות שרשתות עצביות הן בצורות מסוימות דומות למוחות אורגניים", הוא אומר, "הן עדיין הרבה פחות מורכבות או בעלות יכולת".

תורת ההסתברות, ובמיוחד הסטטיסטיקה הבייסיאנית, מציעה מסלול אחר ללמידה של מכונות, אומר פדרסן. היא מאפשרת למחשבים לפעול לא רק במונחים של שחור ולבן – אמת או שקר – אלא גם בגווני אפור. מכונות ש"חושבות" באמצעות מודלים סטטיסטיים כאלה לומדות היטב מהתנסויות חדשות ובלתי צפויות. ("לדעתי, זהו החלק המלהיב ברובוטיקה" מציין פדרסון. "צפו להתפוצצות ביכולות של הרובוטים").

אפשרות נוספת היא תכנות גנטי (evolutionary computing), שבו מחשבים "מפתחים" את התוכנה שלהם עצמם. "מוטציות" של תוכנית מקורית נבדקות, ואלו הנותנות תוצאות טובות יותר נשמרות. הקוד שלהן מעורבב ועובר שוב מוטציות – כמו רבייה מינית – כדי ליצור את ה"דור" הבא, וכך הלאה במשך מאות או אלפי דורות. ה"אבולוציה" התוכנתית הזאת יכולה להפיק תוכניות לפתרון בעיות יעילות מאוד שהן יותר מדי מסובכות מכדי שהמדענים עצמם יבינו אותן.

למעלה: המוח האנושי – לכולנו יש כזה, אולם דרכי פעולתו הפנימית מסתוריים. אם החוקרים ילמדו עוד על מוחות אורגניים הדבר עשוי לעזור להם לתכנת רובוטים חכמים יותר. Grey's Anatomy.
גישה זאת וגישות חדשניות אחרות לחישוב מהוות את הבסיס לרובוטים חכמים יותר ואוטונומיים יותר. המדענים נוטלים מתיבת הכלים הזאת כדי להכליל בתוך הרובוטים את אותן היכולות שאנו מניחים כמובנות מאליהן ביחס לעצמנו: הבנת המשמעות של שפה מדוברת, הבנת כל הפעולות הקטנות הדרושות להשלמת משימה, ניווט בשטח והימנעות מסכנות – העניינים המעשיים של סיור אוטונומי.

בחיפוש אחר R2-D2

ואכן יש התקדמות. אב טיפוס אחד של רובוט הנקרא היפריון הפגין יכולת לחצות באופן עצמאי את השטח הארקטי הקנדי. רובוט זה, שפותח על ידי חוקרים במכון לרובוטיקה של אוניברסיטת קרנגי מלון, מנווט בזהירות כדי להימנע מלהיתקע בצל, כך שלוחות קולטי השמש שלו קולטים אור שמש כל הזמן. והוא מספיק חכם כדי לדעת כשהוא הולך לאיבוד או נמצא בצרות.

רובוט ניסיוני אחר, הנקרא "המסייע הרובוטי לפעילויות שמחוץ לרכב" הוא שותף אמיתי של האסטרונאוטים – משוטט על גלגלים לצידו של אדם בחליפת חלל. מדענים במרכז החלל ג'ונסון משתמשים בו כדי לנסות טכנולוגיות מתקדמות כגון אינטראקציה בשפה טבעית וזיהוי מחוות של אסטרונאוטים. חלק גדול ממה שהם לומדים יעזור בפיתוח מסייעים דומים, לא רק עבור פני שטח של כוכבי לכת אלא גם עבור מסלול הארץ והחלל העמוק.

בתמונה: "המסייע הרובוטי לפעילויות שמחוץ לרכב" של נאס"א לצידו של אסטרונאוט בחליפת חלל. השניים הם שותפים אמיתיים בסיור.
מציין פדרסן: "כאו ב-Ames אנחנו עובדים על רכב הנקרא K9 שיהיה מסוגל לעשות דברים רבים בעצמו. הוא יכול להתבונן בסלעים, לבצע מדידות ולהחליט מה 'מעניין'. K9 הוא מיתקן ניסוי טכנולוגיות עבור רכבי הסיור על מאדים, 2003 ושל מעבדת המדע על מאדים, 2009 (הידועים גם בשמות רכב הנחיתה החכם על המאדים והמעבדה המתנייעת).

רובוטים ניסיוניים אחרים הם חלוצים בתחום אחר: חיים בספינת חלל. המסייע הלוויני האישי (PSA), לדוגמה, הוא כדור צף קטן המסוגל להניע את עצמו בעזרת מניפות בתוך מסדרונות של ספינות חלל. את PSA יצרו יורי גוודיאק ועמיתיו ב-NASA Ames ומראהו דומה להפליא לשותפו הרובוטי לאימונים בחרב אור של לוק סקייווקר ממלחמת הכוכבים. זה אינו מקרי, אומר גוודיאק, שהמציא את PSA לאחר שראה את הסרט.

PSA יהיה מסוגל לעשות הרבה דברים: לדבר עם אסטרונאוטים הרוצים מידע מהמחשב הראשי של הספינה; לנטר את האוויר (כמו כנרית במכרה פחם) כדי לזהות ריכוזים של גזים שיש בהם סיכון אפשרי, לדוגמה יותר מדי דו-תחמוצת הפחמן; או פשוט להיכנס למצבים שעלולים להיות כרוכים ביותר מדי סכנה או אי-ודאות עבור חבריהם לצוות האנושיים. עוזרים הי-טקיים כאלו יהיו רצויים בתחנת החלל הבינלאומית.

(משמאל) המחשה אמנותית של רובונאוט עובד מחוץ לחללית. (במרכז) יורי גוודיאק מ-NASA Ames והמסייע הלוויני האישי שלו. (מימין) הרכב החכם K9 במבחני שטח ב-NASA Ames.

רובוטים אחרים מתאימים ביותר לעבודה מחוץ לחללית. רובונאוט, לדוגמה, נמצא בשלבי פיתוח במרכז החלל ג'ונסון. יש לו צורה בסיסית של אדם – או בעצם חצי אדם. גופו מסתיים במותניים. זרועותיו וידיו מתוכננות להיות בעלות מיומנות רבה וראשו מכיל מצלמות וידאו. אסטרונאוטים, במקום בטוח בתוך החללית שלהם, יוכלו לבצע תחזוקה שגרתית או תיקונים חשובים בחלק החיצוני של החללית בהשתמשם ברובונאוט כשליח בשלט רחוק.

אם רובוטים יגורו בחלליות, מציין פדרסן, אזי צריך לחשוב על הרובוטים כשמתכננים את החלליות. "הצורך בסוג כזה של תכנון ברמה המערכתית – תכנון הרובוט והחללית כך שכל אחד יתאים לאחר – אנשים שאינם מומחים לעתים קרובות מתעלמים ממנו" הוא אומר. בחללית חייבים להיות מתקנים לטעינה ואחסנה של הרובוטים, והרובוט חייב להיות מסוגל לגשת למחשבי החללית ולטפל בכל ציוד שצריך.

תחנת החלל הבינלאומית והזרוע הרובוטית שלה, Canadarm2, הן דוגמה למערכת משולבת היטב. הזרוע זוחלת על הצד החיצוני של החללית – מתהפכת קצה על קצה כמו זחל ממאחז שמוקם במיוחד אחד לזה שאחריו. עגלה שנבנתה לפי דרישה יכולה להעביר את הזרוע במהירות ממקום למקום כאשר המהירות חשובה.

Canadarm2 היא מרשימה, אבל כמו סוג'ורנר על המאדים היא אינה חכמה וגם לא עצמאית. הזרוע נעה רק כאשר היא מקבלת פקודות מאדם.

מימין: עובדים יחד. האסטרונאוט ג'רי רוס מרחף מעל כדור הארץ, מחובר לאחד הקצוות של Canadarm2.

הסיבה העיקרית ב"פער החוכמה" בין הרובוטים שבמעבדות המדענים (כמו (K9 לבין אלו שטסו בחלל היא היעדר אמינות מוכחת. פדרסן מסביר: "הבעיה היא שלטכנולוגיות המתקדמות האלו אין כל היסטוריה של טיסות. האם הן יפעלו בתנאים התובעניים של טיסת חלל? מנהלי המשימות הם בצדק שמרנים; הם מעדיפים לדבוק בפתרונות שהוכחו היטב".

אולם, עם הזמן ועם המבחנים בשטח, הטובות ביותר מבין הטכנולוגיות האלו יוכיחו את אופיין – או בעצם, את הסיליקון שלהן. וטוב שכך, משום שהאסטרונאוטים העתידיים ירצו את העוזרים מסיליקון שלהם.
תורגם על ידי נחום שרשבסקי, תרגום מקצועי ותרגום טכני, 45 שקלים לכל 250 מילה (בגרסה העברית). טל. 02-6435139

לאתר של נחום שרשבסקי

למשלוח דואר אלקטרוני

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן