Fyysinen pääsy on ruumiillisen tekoälyn ensimmäinen pullonkaula

Robotti voi nähdä hyvin ja suunnitella toimintansa pitkälle – ja silti epäonnistua jo ennen varsinaisen tehtävän alkamista. Jos se ei pääse työpisteelle, se ei voi tehdä työtä eikä kerätä sellaista todellisen maailman vuorovaikutusdataa, jonka avulla sen toimintaa voitaisiin kehittää. Direct Drive Techin mukaan ruumiillisen tekoälyn eli Embodied AI:n varhainen pullonkaula onkin fyysinen pääsy, ei älykkyys yksin. 3437

Tämä ei tarkoita, että ohjelmisto olisi toissijainen. Ruumiillinen tekoäly tarvitsee fyysisen kehon, ympäristön kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen ja älykkyyden toimimaan yhdessä. Robotin kehon kyvyt kuitenkin rajaavat sitä, kuinka laajalla alueella järjestelmä voi toimia. 19 Alan muissa analyyseissä esteiksi nostetaan lisäksi todellisen maailman datan niukkuus, heikko yleistettävyys, laitteiston kypsyys, laskentateho ja luotettavuus. 41

Direct Driven oma painotus koskee ennen kaikkea järjestystä: ensin robotin on päästävä erilaisiin ympäristöihin, vasta sen jälkeen sen älykkyyttä ja liiketoimintaa voidaan laajentaa.

Fyysisen pääsyn ongelma

Monet sisätilojen mobiilirobotit on suunniteltu tasaisille ja ennakoitaville pinnoille. Oletukset joutuvat koetukselle, kun reitillä on korkea kynnys, reunakivi, portaat, irtomaata, rikkoutunutta asfalttia, jyrkkä siirtymä tai sisä- ja ulkotilan välinen rajapinta.

Tasaisella lattialla pysähtyvä robotti voi toimia hyvin rajatussa teollisuushallissa, mutta se ei pysty kattamaan koko tehtävää ympäristössä, jossa liikkuminen on sen heikoin lenkki. Samalla se jää ilman dataa juuri niistä tilanteista, joissa sen pitäisi oppia toimimaan.

Direct Drive ja aihetta käsittelevä raportointi kuvaavat tätä kuljetin- tai alustongelmaksi: puuttuva ratkaisu ei ole vain suurempi tallennuskapasiteetti tai suurempi koulutusbudjetti, vaan fyysinen alusta, joka kykenee saavuttamaan vaikeat olosuhteet. Tasaisella lattialla pysyttelevä robotti ei voi kerätä liikkumisdataa portaista tai mudasta. Simulaatiot ja videot voivat auttaa esikoulutuksessa, mutta tutkimuksessa on tunnistettu pysyvä kuilu hallittujen tai simuloitujen ympäristöjen ja dynaamisen fyysisen vuorovaikutuksen välillä. 3445

Tästä seuraa erilainen käyttöönottoajatus. Sen sijaan että ympäristö muokattaisiin robotille sopivaksi erillisillä rampeilla, visuaalisilla merkeillä, rajatuilla ajokaistoilla tai muulla infrastruktuurilla, robotin pitäisi sopeutua tavallisiin ihmisen rakentamiin tiloihin. Tämä korostuu tehtävissä, joissa liikutaan esimerkiksi rakennusten, jalkakäytävien, huoltoalueiden ja ulkomaaston välillä.

Miksi yhdistää pyörät ja jalat?

Pyörien ja jalkojen vastakkainasettelu kuvataan usein tehokkuuden ja mukautuvuuden väliseksi valinnaksi. Direct Driven ratkaisu on yhdistää molemmat samaan liikkumisjärjestelmään.

• Pyörät soveltuvat nopeaan ja energiatehokkaaseen etenemiseen tasaisilla lattioilla ja teillä, mutta niiden suorituskykyä rajoittavat portaat, raot, korkeat kynnykset ja löysät pinnat.
• Jalat voivat nostaa runkoa, muuttaa asentoa ja ylittää epäjatkuvuuksia, mutta jalkaliikkuminen vaatii yleensä enemmän ohjausta, energiaa ja insinöörityötä jatkuvassa matkanteossa.
• Pyöräjalat käyttävät rullaamista oletusliikkumistapana ja ottavat nivelet avuksi, kun robotti tarvitsee nostamista, askeltamista, vakauttamista tai asennon muuttamista.

NVIDIA kuvaa TITAa samankaltaisella tavalla: siinä yhdistyvät pyörällisen liikkumisen nopeus ja ketteryys sekä jalkojen mukautuvuus. Robotissa käytetään suoravetoon perustuvia niveliä ja napamoottoritekniikkaa. 1

Tavoitteena ei siis ole, että robotti kävelisi jokaisen metrin. Se voi rullata käytävällä, käyttää jalkojen niveliä kynnyksen ylittämiseen, säätää asentoaan rinteessä ja palata sen jälkeen pyöräilyyn ulkona. Näin pyritään vähentämään tilanteita, joissa tehtävä pysähtyy tai työmaa on muutettava robotille sopivaksi.

Mitä suoravetotekniikka tuo mukanaan?

Liikkumiskonsepti edellyttää, että robotti pystyy muuttamaan asentoa ja voimaa nopeasti ja hallitusti. Suoravetoinen napamoottori tuottaa vedon suoraan pyörässä, kun taas suoravetoiset tai lähes suoravetoiset nivelet tuottavat vääntömomenttia asennon muuttamiseen ja esteiden ylittämiseen. TITAssa nämä kaksi ratkaisua on kuvattu yhdessä käytettäväksi. 17

Perinteisten voimansiirtojen vähentäminen voi mahdollistaa suoremman vääntömomentin hallinnan ja nopeamman liikevasteen. Se ei kuitenkaan poista teknisiä kompromisseja: moottoreiden, rungon, lämmönhallinnan ja ohjausohjelmiston on edelleen kestettävä suuret kuormat ja toistuvat iskut.

Suoraveto ei siis korvaa älykkyyttä. Se muodostaa fyysisen kerroksen, joka ratkaisee, voidaanko suunniteltu liike toteuttaa luotettavasti epätasaisella alustalla.

TITAn ilmoitettuihin ominaisuuksiin kuuluvat kahdeksan vapausastetta, 120 newtonmetrin huippuvääntömomentti, 10 kilogramman liikkuva hyötykuorma, kuumavaihdettavat akut, NVIDIA Jetson Orin NX 16 GB -suoritin sekä 100 TOPS:n tekoälysuorituskyky. Alusta tukee ROS 2:ta ja muita ohjelmisto- ja laitteistorajapintoja kehitystyötä varten. 91132

Havaintojärjestelmään kuuluvat kiikarikamerat, ultraäänianturit ja SPAD-anturit, joiden avulla robotti voi tunnistaa esteitä ja reagoida niihin. 9 Tuoteidean ydin ei kuitenkaan ole yksittäinen tekninen lukema, vaan havaintojen, päätöksenteon ja fyysisen liikkumiskyvyn yhdistäminen. Robotin on pystyttävä muuttamaan sijaintiaan, kun reitti ei enää ole tasainen.

Xingtianista TITAan ja D1:een

Direct Driven tuotesarja näyttää etenemisen pyöräjalkaisen liikkumisen esittelystä kohti muunneltavampia alustoja.

Xingtian: varhainen kaupallinen osoitus

Yhtiö esittelee Xingtianin varhaisena kaupallisena, suoravetotekniikkaan perustuvana kaksipyöräjalkarobottina. Myöhemmissä yhtiön ja alan materiaaleissa sen kuvataan yhdistävän pyörien nopeuden ja jalkojen kyvyn ylittää esteitä sekä tarjoavan avoimen SDK-kehitysympäristön. 21

Tuotesarjan kannalta Xingtianin merkitys on perusidean osoittaminen: kompakti pyöräjalkainen rakenne voi tavoittaa maastoa, joka olisi tavanomaiselle pyöräalustalle vaikeaa, ilman että koko matka on kuljettava täysin jalkojen varassa.

TITA: kehittäjille suunnattu alusta

TITA laajensi ajatusta kahdeksan vapausasteen pyörälliseksi kaksijalkaiseksi alustaksi. Siinä on tehokkaampi toimilaite- ja anturijärjestelmä, modulaariset kiinnityskiskot ja rajapintoja tutkimukseen sekä sovelluskehitykseen.

Julkaistujen tietojen mukaan TITA tukee ROS 2:ta, kuumavaihdettavia akkuja ja aktiivista esteiden väistämistä. Sen ilmoitettu enimmäisnopeus on 3 m/s, ja API-rajapinnan kautta nopeus voi olla suurempi. Suurin ilmoitettu hyppykorkeus on 20 senttimetriä. 91132

Alustaa tarjotaan tarkastuksiin, toimituksiin, logistiikkaan, maatalouteen ja tutkimukseen. Nämä ovat yhtiön tai tuotteen asemointiin liittyviä käyttökohteita, eivät itsenäinen todiste siitä, että kaikki kyseiset tehtävät olisi jo ratkaistu kaupallisesti. Ne kertovat kuitenkin suunnasta: samaa liikkumisalustaa halutaan käyttää sekä jäsennellyissä tiloissa että vaikeammin ennakoitavilla ulkoreiteillä. 321

D1: robotin kokoonpano voi muuttua

D1, joka tunnetaan joissakin yhteyksissä nimellä D-Infinite, vie ajatusta pidemmälle kuin kiinteä pyöräjalkainen rakenne. Se voi toimia seisovana kaksipyöräjalkayksikkönä tai yhdistyä alemmaksi nelipyöräiseksi ryömintäkokoonpanoksi. 26

Lähteissä ilmoitetaan D1:n suurimmaksi esteenkorkeudeksi 70 senttimetriä ja ryömintätilan hyötykuormaksi enintään 100 kilogrammaa. Seisovassa kokoonpanossa ilmoitettu hyötykuorma on 80 kilogrammaa. 24

Modulaarisuus antaa robotille mahdollisuuden vaihtaa ketteryyden, kompaktin koon, vakauden ja kantavuuden välillä tehtävän mukaan. Seisova kokoonpano voi olla hyödyllinen ahtaammilla reiteillä, jalkakäytävillä ja portaiden läheisyydessä. Alempi yhdistetty kokoonpano puolestaan voi tarjota vakaamman alustan raskaalle kuormalle ja vaikeammalle maastolle.

Tämän ajatuksen mukaan yleiskäyttöisyys ei välttämättä synny yhdestä täydellisestä ruumiinrakenteesta. Se voi syntyä alustasta, joka pystyy muuttamaan fyysistä muotoaan työn muuttuessa.

Mitä strategia osoittaa – ja mitä ei?

Direct Driven arkkitehtuuri vastaa todelliseen rajoitteeseen: robotti, joka ei pääse ympäristöön, ei voi työskennellä siellä eikä kerätä sieltä vuorovaikutusdataa. Pyöräjalkainen rakenne tarjoaa uskottavan välimuodon puhtaiden pyörien tehokkuuden ja puhtaiden jalkojen maastokelpoisuuden välillä. Suoravetotoimilaitteet puolestaan yhdistävät korkean tason liikesuunnitelman nopeasti reagoivaan fyysiseen ohjaukseen. 143

Fyysinen pääsy on silti vasta ensimmäinen portti. Robotin on edelleen selviydyttävä luotettavasta havainnoinnista, käsittelystä, navigoinnista, turvallisuudesta, energianhallinnasta, huollosta ja muuttuvissa olosuhteissa yleistyvistä malleista. Viranomais- ja toimiala-analyyseissä korostetaan myös laadukkaan fyysisen maailman datan niukkuutta, laboratorioiden ja todellisten ympäristöjen välistä kuilua sekä laitteiston luotettavuutta suuressa mittakaavassa. 41

Myös kaupallisia väitteitä on syytä tarkastella maltillisesti. Direct Driven tuotesivut ja yhtiön omat materiaalit kuvaavat ominaisuuksia, käyttökohteita ja suorituskykyä ilmoitetuissa kokoonpanoissa. Ne eivät sellaisenaan todista yleiskäyttöisestä autonomiasta tai laajamittaisesta käyttöönotosta. Yhtiön robottitoiminnan kaupallistamisen on riippumattomassa talousraportoinnissa kuvattu olevan vielä rajallista, vaikka siihen liittyvät tuotelinjat ovat kasvaneet. 36

Suurempi opetus ruumiilliselle tekoälylle

Direct Driven ehdottama etenemisjärjestys on suoraviivainen:

1. Rakennetaan keho, joka pääsee useampiin ympäristöihin, joissa työ tapahtuu.
2. Hyödynnetään pääsyä tehtävien suorittamiseen ja rikkaamman todellisen vuorovaikutusdatan keräämiseen.
3. Kehitetään havaintoja, ohjausta ja yleistettävyyttä toistuvien käyttökertojen avulla.
4. Laajennetaan yksittäisistä käyttökohteista kohti laajempaa liiketoimintaa.

Siksi yhtiön pyöräjalkaiset robotit eivät ole vain vaihtoehtoinen alustarakenne. Ne edustavat näkemystä siitä, mistä ruumiillisen tekoälyn kehittämisen pitäisi alkaa.

Ennen kuin robotti voi olla aidosti yleiskäyttöinen, sen on ensin päästävä fyysisesti käsiksi maailmaan, jonka se haluaa ymmärtää.