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Construire les robots de demain
Daniela Rus, informaticienne du MIT, imagine notre avenir rempli de robots. 24 octobre 2017
Josh Mathews
Lorsque Brandon Araki est arrivé au MIT en 2015 en tant que candidat à la maîtrise en génie mécanique, il a apporté le picobug, un petit robot capable de voler, de ramper et de saisir de petits objets. Avant qu'Araki ne rejoigne le Distributed Robotics Lab (DRL) de Daniela Rus, il avait travaillé avec des collaborateurs de plusieurs universités sur la petite machine autonome, qui pèse 30 grammes et tient dans la paume de sa main. Il n'était pas tout à fait sûr de ce qu'il pourrait faire ensuite avec le picobug, mais quand son nouveau patron l'a regardé en action, elle a été séduite. J'en veux une centaine ! dit Rus.
Cette demande n'était pas seulement une excitation gourmande. Rus, qui est également directeur du Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL), imagine un avenir rempli de machines autonomes capables de voler, de conduire, d'effectuer des interventions chirurgicales simples, etc. Mon grand rêve est d'avoir un monde avec des machines omniprésentes, une robotique omniprésente intégrée dans le tissu de la vie quotidienne, aidant chacun dans le travail physique et les tâches cognitives, dit-elle.
Un projet visant à concevoir des robots imprimables et faciles à construire a produit ces bots fonctionnels en plastique imprimé.
Dans le cas du projet d'Araki, elle envisage une flotte de drones autonomes plus grands parcourant une ville pour livrer des colis. Mais ce n'est qu'un des dizaines de systèmes que Rus et ses chercheurs développent et qui pourraient affecter de nombreux domaines de la vie quotidienne. Récemment, ils ont fait la démonstration de robots de la taille d'une pilule qui peuvent se déplacer dans le corps pour réparer les blessures internes. Ils ont programmé des drones pour les associer à des voitures autonomes en volant devant et en scannant les angles morts. Ils ont développé de nouvelles techniques de communication et des modèles de sécurité pour les systèmes multi-robots. Son laboratoire a produit une nouvelle main robotique, un poisson imprimé en 3D qui nage comme un vrai, un système de navigation portable pour les aveugles, des peaux robotiques absorbant les chocs, etc.
Rus, lauréate d'une bourse de génie MacArthur en 2002, a acquis une reconnaissance mondiale pour elle travail de pionnier dans les robots modulaires et reconfigurables, les systèmes multi-robots et les algorithmes de contrôle. Elle est lauréate du National Science Foundation Career Award et membre de l'Association pour l'avancement de l'intelligence artificielle, de l'IEEE, de l'AAAS et de la Fondation Alfred P. Sloan, pour ne citer que quelques-unes de ses distinctions. Beaucoup de choses qu'elle a faites ressemblent à de la magie au début parce que ce sont ces idées ingénieuses auxquelles personne n'a pensé, dit le roboticien Hod Lipson de l'Université de Columbia. Elle est en avance sur son temps.
Et ses élèves apprennent à partager son approche imaginative mais rigoureuse de la robotique. Avec d'autres collaborateurs, elle et ses étudiants ont présenté 15 articles lors de la conférence internationale IEEE 2017 sur la robotique et l'automatisation à Singapour, couvrant tous les domaines du domaine, des nouveaux algorithmes aux nouveaux types de matériel. C'est un laboratoire incroyablement productif, et ils produisent vraiment des projets divers, qui sont tous créatifs et s'attaquent à un problème de manière si solide, explique Radhika Nagpal, informaticienne de l'Université de Harvard. La beauté technique des mathématiques dans son travail est une chose, mais il y a aussi beaucoup de beauté technique dans les robots qu'elle construit. Atteindre les deux est inhabituel. Réaliser les deux dans autant de domaines différents qu'elle le fait est tout à fait inhabituel.
Des robots assortis inspirés de l'origami provenant de plusieurs projets bordent les étagères du laboratoire de Rus. Plusieurs sont auto-pliables.
Corps et cerveau
Rus, 54 ans, est née et a grandi dans la Roumanie communiste, où son intérêt pour la technologie fantastique a été attisé dès son plus jeune âge. Son père était informaticien et elle était attirée par les gadgets de Star Trek , la technologie de Jules Verne, et un dessin animé hollandais insolite, Barbapapa , qui présentait une famille de taches changeantes de forme, dont un inventeur qui a construit des machines incroyables. Après que sa famille ait émigré aux États-Unis, elle a étudié l'informatique et les mathématiques à l'Université de l'Iowa, puis a poursuivi son doctorat auprès du célèbre théoricien de l'informatique John Hopcroft à l'Université Cornell. (John a dit que beaucoup d'algorithmes classiques avaient été résolus, et que maintenant il était temps pour les grandes applications, se souvient-elle. Et pour lui, les grandes applications signifiaient la robotique.) Pourtant, alors qu'elle développait des algorithmes pour aider les robots à saisir et à manipuler des objets pour sa recherche doctorale, elle a découvert que les capacités des systèmes robotiques à la fin des années 1980 et au début des années 1990 ne correspondaient pas aux visions de science-fiction de son enfance. J'avais ces beaux algorithmes qui fonctionnaient très bien en simulation, se souvient-elle, mais il n'y avait pas de doigts de robot capables d'exercer le type de forces et de couples dont mes algorithmes avaient besoin.
Après Cornell, Rus est devenue professeur d'informatique au Dartmouth College, où elle a fondé le Dartmouth Robotics Lab. Elle avait déjà travaillé sur des équipes de robots agissant de concert et a élargi son champ d'action pour inclure des robots modulaires et auto-reconfigurables qui pourraient prendre différentes formes et formes, un peu comme les personnages du dessin animé de son enfance. Pourtant, elle a couru dans le même défi. Ces systèmes ne pourraient être pleinement démontrés que dans des simulations informatiques. Les machines réelles pour exécuter ses algorithmes n'avaient pas encore été construites.
Elle crée une atmosphère dans laquelle les gens sont plus susceptibles d'être créatifs et d'essayer quelque chose qui n'a peut-être pas de sens a priori, mais qui serait vraiment sauvage et cool si c'était possible. —Radhika Nagpal
Rus s'est rendu compte que pour que les robots soient vraiment capables, leur cerveau et leur corps devaient être tout aussi avancés. Vous avez besoin d'un cerveau qui peut contrôler le corps, mais le corps doit être capable de la tâche que vous lui confiez, dit-elle. Vous devez donc penser aux capacités du corps, puis à la science et aux mathématiques qui donnent au corps le système de contrôle dont il a besoin.
En 2003, Rus a rejoint la faculté du MIT, emmenant son laboratoire avec elle et le renommant Distributed Robotics Lab pour s'aligner sur sa vision : un avenir de robots omniprésents. Elle est devenue codirectrice du Centre de robotique du CSAIL en 2005 et directrice associée du CSAIL trois ans plus tard ; en 2012, elle envisageait de prendre un congé sabbatique et de lancer une startup. Sa passion pour la recherche ne s'était pas estompée – elle cherchait simplement quelque chose de différent. C'est alors qu'elle apprend que le poste de directrice s'ouvre au CSAIL. C'est une organisation tellement extraordinaire et elle a joué un si grand rôle dans le façonnement de l'avenir, dit-elle. Être en mesure d'aider à façonner la façon dont CSAIL va de l'avant, pour aider à le rendre plus percutant - c'était un peu comme le rêve américain.
Le congé sabbatique pouvait attendre.
Un robot quadri-rotor se trouve au sommet d'un robot à roue inspiré des rovers de Mars ; les deux ont été conçus avec des matériaux peu coûteux. Le robot quadri-rotor a été utilisé pour suivre les baleines et faire la démonstration de caméras volantes pour une surveillance continue.
Direction CSAIL
CSAIL était déjà bien établi comme le meilleur centre de recherche en informatique au monde lorsque Rus, la première femme à diriger le laboratoire, a pris la relève en 2012. Aujourd'hui, CSAIL compte sept lauréats MacArthur, huit lauréats du prix Turing et un chevalier (Tim Berners- Lee). Le plus grand laboratoire de recherche du MIT, il abrite 115 chercheurs principaux (PI), des centaines de scientifiques et d'étudiants et plus de 800 projets de recherche. Il y a beaucoup d'idées ici, et chacun de nos IP est un grand rêveur, dit Rus. Nous sommes une sorte d'union de rêves, et mon rôle est de m'assurer que nous avons l'environnement pour cultiver ces grands rêves et idées.
Pour ce faire, Rus s'efforce de maintenir une culture qui soutient la croissance de chacun à CSAIL, du personnel administratif aux sommités du corps professoral. Elle essaie de maintenir un sens de la communauté par les méthodes habituelles, y compris des réunions régulières, des rassemblements sociaux et des symposiums. Mais ses efforts sur ce front vont aussi de l'intense personnel – une roboticienne a raconté comment elle l'a aidé à traverser un divorce – au fantaisiste. Une fois, un piano que Rus avait acheté pour sa fille a été expédié par erreur au laboratoire au lieu de chez elle, et les gens ont commencé à s'asseoir pendant la journée pour jouer. Au cours de ces deux semaines, j'ai appris que beaucoup de mes étudiants étaient en fait des artistes très talentueux, se souvient-elle. Un jour, j'ai entendu un des élèves jouer du Chopin, et c'était tellement beau. Lorsque le piano a été retiré, elle a acheté un clavier au laboratoire et les concerts impromptus ont continué.
Les deux autres piliers de sa stratégie pour diriger CSAIL – les ressources et les idées – sont directement liés. Rus identifie les problèmes informatiques qui peuvent avoir le plus grand impact, puis poursuit des partenariats pour obtenir le financement nécessaire pour les résoudre. Une initiative de mégadonnées a été lancée juste au moment où elle est devenue directrice en 2012, et elle a depuis lancé quatre autres initiatives majeures parrainées par l'industrie ou le gouvernement axées sur la cybersécurité, les véhicules autonomes, l'apprentissage automatique et les soins de santé.
Par exemple, Rus a forgé un programme de véhicules autonomes de 25 millions de dollars avec Toyota, formant le Centre de recherche conjoint Toyota-CSAIL. Au lieu de voitures complètement sans conducteur comme celles que Google ou Uber tentent de construire, elle envisage des véhicules équipés de télémètres laser et d'autres capteurs avancés qui pourraient être utilisés pour aider les gens à conduire en toute sécurité dans les villes surpeuplées ou par mauvais temps. La voiture ne prendrait le contrôle complet que si vous vous approchiez d'un virage dangereusement rapide, par exemple, ou si vous changez de voie alors qu'une autre voiture était déjà là.
Cette entreprise à elle seule comprend 17 projets différents impliquant divers laboratoires CSAIL, y compris son propre DRL et des groupes qui se concentrent sur la vision par ordinateur, l'apprentissage automatique et le développement de capteurs. Je suis très intéressée par les projets qui touchent à plusieurs domaines de l'informatique et qui dépassent ce que chaque chercheur individuel peut faire, explique-t-elle. En tant que directrice, Rus se considère également comme une porte-parole du laboratoire, une sorte de conteur scientifique qui parcourt littéralement le monde pour régaler les chercheurs lors de conférences et de réunions avec des récits des derniers exploits du CSAIL. Nagpal dit que les discussions de Rus inspirent son propre groupe à Harvard, et elle soupçonne qu'elle a le même effet sur les autres. C'est la personne qui vous donne l'impression que cela devrait être amusant, dit Nagpal. Elle crée une atmosphère dans laquelle les gens sont plus susceptibles d'être créatifs et d'essayer quelque chose qui n'a peut-être pas de sens a priori, mais qui serait vraiment sauvage et cool si c'était possible.
Sciences de l'autonomie
Rus dit que le travail dans le DRL est destiné à faire progresser la science de l'autonomie. Les projets suivent généralement la même méthodologie générale. La plupart commencent par identifier et comprendre un problème et imaginer les robots qui pourraient le résoudre (qu'ils existent déjà ou qu'ils doivent être construits à partir de zéro). Ensuite, les chercheurs développent des algorithmes pour contrôler les machines, les faire fonctionner en simulation, et enfin les tester dans le monde réel.
Les résultats remettent souvent en question la définition standard des robots. En 2016, Rus, l'étudiant diplômé en génie mécanique Steven Guitron, le postdoctorant CSAIL Shuguang Li et des collègues d'autres institutions ont présenté un robot ingérable inspiré de l'origami. Pour le faire fonctionner, ils ont dû concevoir un corps robotique pouvant être compressé dans une capsule de la taille d'une pilule, puis se déplier et effectuer des tâches lorsque la capsule se dissout. La machine miniature n'a pas encore été testée in vivo, mais Rus dit que les futures versions pourraient être des microchirurgiens, effectuant des chirurgies sans incisions ni douleur physique.
Elle dit que nous devons réfléchir à la technologie dont nous avons besoin pour créer dans 10 ans, comment penser aux problèmes qui sont importants non seulement pour la prochaine itération, mais les cent prochaines itérations d'une technologie, explique le postdoc Cristian-Ioan Vasile.
Les robots en origami sont liés à ses travaux antérieurs sur les machines à reconfiguration automatique, mais ils reflètent également un effort plus important pour réinventer le corps du robot. Rus a lancé le Soft Robotics Group au sein de son laboratoire parce qu'elle était convaincue que les machines rigides et rigides avaient trop de limites. L'un des premiers membres du groupe, Robert Katzschmann, a fabriqué un poisson imprimé en 3D avec des actionneurs flexibles ou des muscles artificiels. Plus tard, alors qu'il travaillait avec d'autres membres pour améliorer la capacité d'un robot à saisir des objets fragiles - une tâche similaire à celle que Rus tentait de réaliser dans son travail de doctorat - Katzschmann a remodelé les actionneurs qu'il avait développés pour les poissons afin d'aider à concevoir un nouveau type de main pour des robots humanoïdes comme Baxter. (Baxter est une idée originale de l'ancien directeur de CSAIL, Rodney Brooks, et de sa société, Rethink Robotics.) Contrairement aux formes robotiques rigides du passé, la main douce à trois doigts de Katzschmann peut se plier et sentir, ce qui lui permet de saisir une plus large gamme d'objets. — et les identifier sans utiliser d'algorithmes de vision.
Les fleurs robots, que l'on peut faire fleurir ou changer de couleur avec une tablette, sont conçues pour intéresser les enfants à la robotique.
Rus travaille également à améliorer la capacité des robots à raisonner et à prendre de bonnes décisions. Vasile développe des algorithmes qui garantissent que les voitures autonomes fonctionnent toujours en toute sécurité, évitent les collisions avec d'autres véhicules et piétons, et trouvent également le bon équilibre entre le respect des règles de la route et l'atteinte efficace de leur destination. (Par exemple, le mode par défaut consistant à rester dans la voie de droite pourrait être annulé par la nécessité de se déplacer sur un chantier de construction.) Pourtant, une voiture intelligente ne peut prendre des décisions qu'en fonction des données auxquelles elle peut accéder. Le véhicule ne pourra pas voir dans les coins d'un parking étroit, par exemple. Ainsi, un autre groupe DRL a associé une voiture robotique à un drone autonome. Lorsque la voiture identifie les angles morts, le drone vole devant, scanne ces zones à la recherche de dangers potentiels, puis renvoie la vidéo au véhicule pour traitement.
De même, pour qu'Araki construise l'essaim de robots demandé par Rus, il a dû repenser à la fois les robots physiques et leurs systèmes de contrôle. Il a remplacé les pattes du picobug par des roues plus fiables et plus faciles à contrôler. Ensuite, il devait comprendre comment ses robots trouveraient leur chemin dans un environnement urbain simulé. Il n'avait jamais conçu ce type de système de contrôle (il a une formation en génie mécanique), mais Rus s'attend à ce que ses élèves soient polyvalents. Il a donc adapté un algorithme conçu pour aider des essaims de robots à planifier collectivement des itinéraires rapides et sans collision. Comme ses robots pouvaient voler, Araki a modifié l'algorithme pour qu'il s'étende également aux véhicules se déplaçant au-dessus de la chaussée, puis l'a optimisé pour plus d'efficacité afin que les drones ne se déchargent pas rapidement de la batterie. Jusqu'à présent, il en a construit huit et, avec l'aide de Rus et d'autres membres du laboratoire, il a démontré que les voitures volantes peuvent contourner une ville modèle de neuf mètres carrés sans entrer en collision.
La communication est l'autre clé pour réaliser l'avenir rempli de robots de Rus. Si des essaims de machines capables fonctionnent dans le monde réel, qu'elles volent, conduisent ou roulent dans une maison, elles devront communiquer plus efficacement entre elles et avec les humains. Avec l'aide de Rus, l'informaticienne DRL Stephanie Gil a développé des algorithmes qui permettent aux robots de détecter les variations de la force du signal sans fil, d'estimer où les signaux pourraient être meilleurs et de se déplacer vers ces endroits pour améliorer leur capacité à communiquer. Cela pourrait être critique si vous deviez envoyer une flotte de robots sur le site d'une catastrophe naturelle, explique Gil, car cela permettrait à plusieurs machines de parcourir efficacement l'espace et de partager rapidement des informations critiques entre elles et avec tout responsable humain.
En apprenant davantage sur la façon dont les signaux sans fil se propagent, Gil a également trouvé un moyen de deviner la source probable d'un signal donné et s'il provenait d'une entité connue, comme un autre robot dans la pièce ou une partie non identifiée. Nous pouvons identifier s'il y a un usurpateur ou un agent malveillant ajoutant des informations dans l'image qui ne sont pas réellement valides, dit-elle. Si la vision de Rus se concrétise, cela pourrait s'avérer extrêmement important. Un pirate prenant le contrôle de votre ordinateur est suffisamment menaçant. Imaginez maintenant cet individu saisissant le volant numérique de votre voiture autonome.
Bien qu'ils puissent sembler être des projets disparates pour l'étranger, les liens entre des domaines tels que les poissons robotisés, la sécurité, les voitures autonomes et les drones sont clairs pour Rus et ses étudiants. Vous pourriez penser que ces choses sont décousues, mais il y a une image plus grande, dit Katzschmann. Si vous voulez créer des robots capables de faire des choses que tout le monde peut utiliser, vous devez avoir des innovations dans de nombreux domaines différents. Daniela a la vision qui finira par réunir toutes ces choses.
Cette vision est ce qui la motive à terminer une conférence TEDx tard dans la nuit et à rencontrer les membres de son laboratoire le lendemain matin, ou à s'envoler pour la Chine pendant 24 heures pour discuter d'un partenariat de recherche potentiel, puis à reprendre son travail le lendemain. Il n'y a pas de place pour le repos lorsque vous construisez l'avenir. Il y a vingt ans, le calcul était réservé à quelques experts, et maintenant, regardez où nous en sommes aujourd'hui, dit-elle. L'informatique a véritablement révolutionné notre façon de travailler, de vivre et de jouer, et j'aimerais voir le même genre d'impact de la part des robots.