Η εκπληκτική αθλητική δύναμη των τετρακόπτερων

Σε ένα εργαστήριο ρομπότ στο TEDGlobal, ο Ραφαέλο Ντ'Αντρέα επιδεικνύει τα ιπτάμενα τετρακόπτερά του: ρομπότ που σκέφτονται σαν αθλητές, λύνοντας φυσικά προβλήματα με αλγόριθμους που τα βοηθούν να μάθουν. Σε μια σειρά από επιδέξιες επιδείξεις, ο Ντ'Αντρέα δείχνει μη επανδρωμένα αεροσκάφη που παίζουν μπάλα, ισορροπούν και παίρνουν αποφάσεις μαζί - και προσέξτε την επίδειξη Το-θέλω-τώρα των τετρακόπτερων που ελέγχονται από το Κινέκτ.

Τι σημαίνει, λοιπόν,
όταν λέμε αθλητική μηχανή;

Θα παρουσιάσουμε την έννοια
του μηχανικού αθλητισμού

και την έρευνα για την κατάκτησή του

με τη βοήθεια αυτών των ιπτάμενων μηχανών,
των τετρακόπτερων,

ή «quads» για συντομία.

Τα τετρακόπτερα κυκλοφορούν
εδώ και πολύ καιρό.

Είναι τόσο δημοφιλή στις μέρες μας

λόγω της μηχανικής τους απλότητας.

Ελέγχοντας την ταχύτητα
των τεσσάρων προπελών,

οι μηχανές μπορούν να κινηθούν
στις τρεις διαστάσεις,

και να επιταχύνουν κατά μήκος
του κοινού προσανατολισμού τους.

Υπάρχουν ενσωματωμένα,
μια μπαταρία, ένας υπολογιστής,

διάφοροι αισθητήρες
και ασύρματοι πομποδέκτες.

Τα τετρακόπτερα είναι εξαιρετικά ευέλικτα,
όμως αυτή η ευελιξία έχει και ένα τίμημα.

Είναι εγγενώς ασταθή
και χρειάζονται κάποιου είδους

αυτόματου ανατροφοδοτικού ελέγχου,
ώστε να μπορέσουν να πετάξουν.

Λοιπόν, πώς το έκανε αυτό;

Κάμερες στην οροφή
και ένας φορητός υπολογιστής

δρουν ως παγκόσμιο σύστημα
εντοπισμού εσωτερικού χώρου.

Εντοπίζει στο χώρο αντικείμενα

που φέρουν αυτούς
τους ανακλαστικούς ενδείκτες.

Τα δεδομένα στέλνονται
σε άλλον φορητό Η/Υ

που εκτελεί υπολογιστικούς
και ελεγκτικούς αλγόριθμους,

και δίνει με τη σειρά του
εντολές στο τετρακόπτερο

το οποίο επίσης εκτελεί
παρόμοιους αλγόριθμους.

Ο όγκος της έρευνάς μας
είναι οι αλγόριθμοι.

Είναι η μαγεία που ζωντανεύει
αυτές τις μηχανές.

Πώς σχεδιάζει κανείς,
λοιπόν, τους αλγόριθμους

που δημιουργούν μηχανές-αθλητές;

Με τον ευρέως γνωστό σχεδιασμό
με χρήση μοντέλων.

Αρχικά, προσδιορίζουμε με μαθηματικό
μοντέλο τους κανόνες της φυσικής

που διέπουν τη λειτουργία της μηχανής.

Μετά χρησιμοποιούμε
έναν κλάδο των μαθηματικών

που ονομάζεται θεωρία ελέγχου
για την ανάλυση αυτών των μοντέλων,

καθώς και για τη σύνθεση αλγορίθμων
που θα τα ελέγχουν.

Για παράδειγμα, έτσι κάνουμε
το τετρακόπτερο να υπερίπταται.

Αρχικά, προσδιορίζουμε τη δυναμική

με μια σειρά διαφορικών εξισώσεων.

Μετά τροποποιούμε αυτές τις εξισώσεις
με τη βοήθεια της θεωρίας ελέγχου

για να δημιουργήσουμε αλγόριθμους
που το σταθεροποιούν.

Θα σας κάνω μια επίδειξη
της ισχύς αυτής της προσέγγισης.

Έστω ότι θέλουμε το τετρακόπτερο
όχι μόνο να υπερίπταται,

αλλά και να ισορροπήσει αυτήν τη ράβδο.

Με λίγη εξάσκηση

είναι αρκετά απλό για έναν άνθρωπο,

παρότι έχουμε το πλεονέκτημα

δυο ποδιών στο έδαφος

και χρησιμοποιούμε
τα ιδιαιτέρως ευπροσάρμοστα χέρια μας.

Δυσκολεύει λίγο

όταν πατάω μόνο με το ένα πόδι στο έδαφος

και δεν χρησιμοποιώ τα χέρια μου.

Παρατηρήστε τον ανακλαστικό δείκτη
στο πάνω μέρος

που σημαίνει πως μπορεί
να εντοπιστεί στον χώρο.

(Χειροκρότημα)

Παρατηρείτε ότι το τετρακόπτερο
κάνει μικρές ρυθμίσεις

για να διατηρήσει τη ράβδο σε ισορροπία.

Πώς σχεδιάσαμε τους αλγόριθμους
που το καταφέρνουν αυτό;

Προσθέσαμε
το μαθηματικό μοντέλο της ράβδου

σε αυτό του τετρακόπτερου.

Μόλις έχουμε ένα μοντέλο του συνδυασμένου
συστήματος τετρακόπτερο-ράβδος,

μπορούμε με τη θεωρία ελέγχου,
να δημιουργήσουμε αλγόριθμους ελέγχου.

Εδώ, βλέπετε ότι είναι σταθερό,

και ακόμη κι αν του δώσω λίγα σκουντήματα,

επιστρέφει πίσω στην ωραία,
ισορροπημένη θέση.

Μπορούμε να επαυξήσουμε
το μοντέλο ώστε να συμπεριλαμβάνει

την επιθυμητή θέση
του τετρακόπτερου στον χώρο.

Με αυτόν τον δείκτη,
φτιαγμένο από ανακλαστήρες,

μπορώ να δείξω που θέλω
να είναι το τετρακόπτερο στον χώρο

σε μια συγκεκριμένη απόσταση από μένα.

Το κλειδί σε αυτές τις ακροβατικές
μανούβρες είναι οι αλγόριθμοι,

σχεδιασμένοι με τη βοήθεια
μαθηματικών μοντέλων

και της θεωρίας ελέγχου.

Ας πούμε στο τετρακόπτερο
να επιστρέψει εδώ

και να αφήσει να πέσει η ράβδος,

και θα επιδείξω μετά την ανάγκη

της κατανόησης των φυσικών μοντέλων

και το πώς λειτουργεί ο φυσικός κόσμος.

Παρατηρήστε πώς το τετρακόπτερο έχασε ύψος

όταν έβαλα πάνω του ένα ποτήρι νερό.

Αντίθετα με τη ράβδο εξισορρόπησης,

δεν συμπεριέλαβα το μαθηματικό μοντέλο
του ποτηριού στο σύστημα.

Ουσιαστικά το σύστημα δεν ξέρει καν
ότι το ποτήρι είναι εκεί.

Όπως πριν, θα μπορούσα να χρησιμοποιήσω
τον δείκτη για να πω στο τετρακόπτερο

πού θέλω να βρίσκεται στον χώρο.

(Χειροκρότημα)

Εντάξει, θα πρέπει να αναρωτιέστε

γιατί δεν χύνεται το νερό από το ποτήρι.

Δύο δεδομένα: Το πρώτο είναι
ότι η βαρύτητα επιδρά

σε όλα τα αντικείμενα με τον ίδιο τρόπο.

Το δεύτερο είναι ότι
όλες οι προπέλες δείχνουν

προς την ίδια κατεύθυνση με το ποτήρι,
δείχνουν προς τα πάνω.

Ο συνδυασμός των δύο έχει σαν αποτέλεσμα

ότι όλες οι πλευρικές δυνάμεις
στο ποτήρι είναι μικρές

και κυριαρχούνται κυρίως
από αεροδυναμικές επιδράσεις,

που σε αυτές τις ταχύτητες
είναι αμελητέες.

Γι' αυτό δεν χρειάζεται
να μοντελοποιήσετε το ποτήρι.

Φυσιολογικά δεν θα χυθεί
ό,τι και να κάνει το τετρακόπτερο.

(Χειροκρότημα)

Το μάθημα εδώ είναι ότι ορισμένες
εργασίες υψηλής απόδοσης

είναι πιο εύκολες από κάποιες άλλες,

και η κατανόηση
της φυσικής του προβλήματος

σας λέει ποιες είναι εύκολες
και ποιες είναι δύσκολες.

Εδώ, η μεταφορά ενός ποτηριού με νερό
είναι εύκολη.

Η εξισορρόπηση μιας ράβδου είναι δύσκολη.

Έχουμε όλοι ακούσει ιστορίες αθλητών

να εκτελούν κατορθώματα
ενώ είναι τραυματισμένοι.

Μπορεί και μια μηχανή να εκτελέσει

έχοντας εκτεταμένη ζημιά;

Η συμβατική σοφία λέει ότι χρειάζεστε

τουλάχιστον τέσσερα ζεύγη σταθερών
μοτέρ προπέλας για να πετάξετε,

επειδή πρέπει να ελεγχθούν
τέσσερις βαθμοί ελευθερίας:

περιστροφή, πέσιμο,
εκτροπή και επιτάχυνση.

Εξακόπτερα και οκτακόπτερα,
με έξι και οκτώ προπέλες,

μπορούν να παρέχουν πλεονασμό,

αλλά τα τετρακόπτερα
είναι πολύ πιο δημοφιλή

επειδή έχουν τον ελάχιστο αριθμό

σταθερών ζευγών μοτέρ προπέλας.
Τέσσερα.

Σίγουρα είναι έτσι;

Αν αναλύσουμε το μαθηματικό μοντέλο
αυτής της μηχανής

με μόνο δύο λειτουργικές προπέλες,

ανακαλύπτουμε έναν μη συμβατικό
τρόπο πτήσης.

Χάνουμε τον ελέγχο της εκτροπής,

αλλά η περιστροφή, το πέσιμο,
και η επιτάχυνση ελέγχονται ακόμη

με αλγόριθμους που εκμεταλλεύονται
αυτό το νέο στήσιμο.

Τα μαθηματικά μοντέλα μάς λένε

ακριβώς πότε και γιατί είναι αυτό δυνατό.

Αυτή η γνώση μάς επιτρέπει
τώρα να σχεδιάσουμε

νέες αρχιτεκτονικές μηχανών

ή να σχεδιάσουμε έξυπνους αλγόριθμους
που χειρίζονται ομαλά τις βλάβες,

όπως και οι αθλητές,

αντί να φτιάχνουμε μηχανές με πλεόνασμα.

Δεν μπορούμε παρά να κρατήσουμε
την ανάσα μας

όταν βλέπουμε έναν δύτη
να κάνει τούμπα στο νερό,

ή όταν ένας άλτης στριφογυρνά στον αέρα,

ταχύτατα πλησιάζοντας το έδαφος.

Θα καταφέρει ο δύτης
να κάνει τέλεια είσοδο στο νερό;

Θα σταθεροποιηθεί στην προσγείωση ο άλτης;

Έστω ότι θέλουμε αυτό το τετρακόπτερο

να κάνει μια τριπλή τούμπα
και να καταλήξει

ακριβώς στο ίδιο σημείο που ξεκίνησε.

Η μανούβρα θα γίνει τόσο γρήγορα που
δεν μπορούμε να διορθώσουμε την κίνηση

κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης
με ανατροφοδότηση θέσης.

Απλά δεν υπάρχει αρκετός χρόνος.

Αντ' αυτού, το τετρακόπτερο
θα κάνει τη μανούβρα στα τυφλά,

θα παρατηρήσει πώς θα την τελειώσει,

και θα τροποποιήσει ανάλογα
τη συμπεριφορά του

έτσι ώστε η επόμενη να είναι καλύτερη.

Παρόμοια με τον δύτη και τον άλτη,

μόνο μέσω επαναλαμβανόμενης εξάσκησης

μπορεί να μαθευτεί και να εκτελεστεί
η μανούβρα

στα υψηλότερα στάνταρ.

(Χειροκρότημα)

Το χτύπημα κινούμενης μπάλας είναι
απαραίτητη δεξιότητα σε πολλά αθλήματα.

Πώς καταφέρνουμε μια μηχανή
να κάνει κάτι

που ένας αθλητής εκτελεί
φαινομενικά χωρίς προσπάθεια;

(Χειροκρότημα)

Αυτό το τετρακόπτερο έχει μια ρακέτα
δεμένη στο κεφάλι του

με ένα ιδανικό σημείο περίπου
στο μέγεθος μήλου, άρα όχι τόσο μεγάλο.

Οι ακόλουθοι υπολογισμοί γίνονται
ανά 20 χιλιοστά δευτερολέπτου,

ή 50 φορές το δευτερόλεπτο.

Πρώτα βρίσκουμε πού πάει η μπάλα.

Μετά υπολογίζουμε
πώς το τετρακόπτερο πρέπει να την χτυπήσει

έτσι ώστε να πάει εκεί
απ' όπου την πέταξαν.

Τρίτον, οργανώνεται μια τροχιά
που πηγαίνει το τετρακόπτερο

από την τρέχουσα θέση του
στο σημείο κρούσης με την μπάλα.

Τέταρτον, αυτή η στρατηγική εκτελείται
μόνο για 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Μετά από 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου,
όλη η διαδικασία επαναλαμβάνεται

μέχρι το τετρακόπτερο
να χτυπήσει την μπάλα.

(Χειροκρότημα)

Οι μηχανές, όχι μόνο μπορούν να εκτελούν
δυναμικές μανούβρες μόνες τους,

μπορούν να το κάνουν συλλογικά.

Αυτά τα τρία τετρακόπτερα συνεργάζονται
στη μεταφορά ενός εναέριου διχτυού.

(Χειροκρότημα)

Εκτελούν μια εξαιρετικά δυναμική

και συλλογική μανούβρα

για να στείλουν την μπάλα πίσω σε μένα.

Παρατηρήστε, ότι σε πλήρη επέκταση,
αυτά τα τετρακόπτερα είναι κάθετα.

(Χειροκρότημα)

Στην πραγματικότητα,
όταν επεκταθούν πλήρως

είναι περίπου πέντε φορές μεγαλύτερο
από αυτό που αισθάνεται

κάποιος που κάνει μπάντζι τζάμπινγκ
στο τέλος της εκτόξευσής του.

Οι αλγόριθμοι γι' αυτό
είναι πολύ παρόμοιοι

με αυτόν που χρησιμοποίησε το ένα
τετρακόπτερο για να χτυπήσει την μπάλα.

Χρησιμοποιούνται συνεχώς μαθηματικά
μοντέλα για τον συνεχή ανασχεδιασμό

μιας συλλογικής στρατηγικής
ανά 50 φορές το δευτερόλεπτο.

Οτιδήποτε έχουμε δει μέχρι τώρα

είχε να κάνει με τις μηχανές
και τις δυνατότητές τους.

Τι συμβαίνει όταν συνδέουμε
αυτόν τον μηχανικό αθλητισμό

με αυτόν ενός ανθρώπου;

Έχω μπροστά μου έναν αισθητήρα κίνησης
διαθέσιμο στο εμπόριο,

κυρίως για παιχνίδια.

Μπορεί να αναγνωρίσει
τι κάνουν τα μέλη του σώματός μου

σε πραγματικό χρόνο.

Όπως με τον δείκτη
που χρησιμοποίησα νωρίτερα,

θα τον χρησιμοποιήσουμε
για είσοδο δεδομένων στο σύστημα.

Τώρα έχουμε έναν φυσικό τρόπο
αλληλεπίδρασης

με τον ωμό αθλητισμό των τετρακοπτέρων
μέσα από τις κινήσεις μου.

(Χειροκρότημα)

Η αλληλεπίδραση δεν χρειάζεται να είναι
εικονική. Μπορεί να είναι φυσική.

Για παράδειγμα αυτό το τετρακόπτερο.

Προσπαθεί να μείνει
σε ένα συγκεκριμένο σημείο στον χώρο.

Αν προσπαθήσω να το παραμερίσω,
μου αντιστέκεται,

και πάει πίσω εκεί που θέλει να είναι.

Μπορούμε όμως να αλλάξουμε
αυτή τη συμπεριφορά.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε
μαθηματικά μοντέλα

για να υπολογίσουμε τη δύναμη
που ασκώ στο τετρακόπτερο.

Όταν μάθουμε τη δύναμη, μπορούμε
να αλλάξουμε και τους νόμους της φυσικής.

όσον αφορά στο τετρακόπτερο, φυσικά.

Εδώ το τετρακόπτερο συμπεριφέρεται

σαν να είναι σε παχύρρευστο υγρό.

Τώρα έχουμε έναν οικείο τρόπο

αλληλεπίδρασης με τη μηχανή.

Θα χρησιμοποιήσω τη νέα δυνατότητα
για να τοποθετήσω

αυτό το τετρακόπτερο με κάμερα
στην κατάλληλη τοποθεσία

για να καταγράψει την υπόλοιπη επίδειξη.

Έτσι μπορούμε να αλληλεπιδράσουμε
φυσικά με αυτά τα τετρακόπτερα

και να αλλάξουμε
τους νόμους της φυσικής.

Ας διασκεδάσουμε λιγάκι με αυτό.

Τώρα θα δείτε αυτά τα τετρακόπτερα

να συμπεριφέρονται αρχικά
λες και βρίσκονται στον Πλούτωνα.

Καθώς περνά η ώρα,
θα αυξάνεται η βαρύτητα

μέχρι να φτάσουμε όλοι
στον πλανήτη Γη,

αλλά σας διαβεβαιώνω
ότι δεν θα φτάσουμε εκεί.

Λοιπόν, ορίστε.

(Γέλια)

(Γέλια)

(Χειροκρότημα)

Ουού!

Τώρα όλοι σκέφτεστε

ότι αυτοί οι τύποι
το παραδιασκεδάζουν,

και μάλλον αναρωτιέστε

για ποιον λόγο ακριβώς
φτιάχνουν αθλητές μηχανές;

Κάποιοι εικάζουν ότι ο ρόλος
του παιχνιδιού στο ζωικό βασίλειο

είναι το ακόνισμα δεξιοτήτων
και η ανάπτυξη ικανοτήτων.

Άλλοι πιστεύουν ότι έχει
πιο κοινωνικό ρόλο,

βοηθάει για να δεθεί η ομάδα.

Παρομοίως, χρησιμοποιούμε την αναλογία
των αθλημάτων και του αθλητισμού

για να δημιουργήσουμε νέους αλγόριθμους

για να ωθήσουμε τις μηχανές στα όριά τους.

Τι επίδραση θα έχει η ταχύτητα των μηχανών
στον τρόπο ζωής μας;

Όπως όλες οι προηγούμενες δημιουργίες
και καινοτομίες μας,

ή θα χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση
της ανθρώπινης κατάστασης

ή μπορεί να γίνει κακή χρήση τους.

Δεν είναι δική μας τεχνική επιλογή.

Είναι μια κοινωνική επιλογή.

Ας κάνουμε τη σωστή επιλογή,

αυτή που θα βγάλει το καλύτερο
στο μέλλον των μηχανών,

όπως και ο αθλητισμός στα σπορ

μπορεί να βγάλει τον καλύτερο εαυτό μας.

Ας σας συστήσω στους μάγους
πίσω από την πράσινη κουρτίνα.

Είναι τα τρέχοντα μέλη της ερευνητικής
ομάδας της Αρένας Πτητικής Μηχανής.

(Χειροκρότημα)

Φεντερίκο Αουγκουλιάρο,
Ντάριο Μπρεσιανίνι, Μάρκους Χεν,

Σέργκεϊ Λούπασιν,
Μάρκ Μιούλερ και Ρόμπιν Ριτζ.

Ψάξτε τους.
Προορίζονται για μεγάλα πράγματα.

Σας ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα)