Wat betekent het voor een machine om atletisch te zijn?
We zullen het concept van machine-atletiek demonstreren
evenals het onderzoek om het te bereiken
met behulp van deze vliegmachines,
quadrocopters of korter quads genaamd.
Quads zijn er al een hele tijd.
Hun tegenwoordige populariteit
hebben ze te danken aan hun eenvoudige mechanica.
Door het controleren van de snelheden van deze vier schroeven,
kunnen deze machines rollen, stampen, gieren
en versnellen langs hun gemeenschappelijke richting.
Ze hebben ook nog een batterij, een computer,
diverse sensoren en radio's aan boord.
Quads zijn uiterst wendbaar, maar deze flexibiliteit heeft haar prijs.
Ze zijn inherent instabiel en een vorm van
automatische terugkoppelingscontrole is nodig om te kunnen vliegen.
Hoe deed hij dit?
Camera's op het plafond en een laptop
dienen als een overdekt global positioning system.
Het wordt gebruikt om objecten te lokaliseren in de ruimte
door middel van die reflecterende merkpunten.
Deze gegevens wordt vervolgens verzonden naar een andere laptop
die schattings- en controlealgoritmen uitvoert
en op zijn beurt commando's naar de quad stuurt
die ook schattings- en controlealgoritmen uitvoert.
Het grootste deel van ons onderzoek gaat over algoritmen.
Dat is de magie die deze machines tot leven brengt.
Maar hoe ontwerp je algoritmen
om een machine-atleet te maken?
In grote lijnen door wat we modelgebaseerd ontwerp noemen.
Wij leggen eerst de fysica vast in een wiskundig model
van hoe deze machines zich gedragen.
We gebruiken een deelgebied van de wiskunde,
regeltechniek genoemd, voor het analyseren van deze modellen
en ook voor het opstellen van algoritmen om ze te controleren.
Zo laten we de quad bijvoorbeeld zweven.
We leggen de dynamica vast
in een set differentiaalvergelijkingen.
Dan manipuleren we deze vergelijkingen
met behulp van regeltechniek om algoritmen te maken die de quad stabiliseren.
Ik toon even de mogelijkheden van deze aanpak.
Stel dat we deze quad niet alleen willen laten zweven,
maar ook nog deze stok in evenwicht houden.
Met een beetje oefening
heeft een mens daar geen probleem mee.
Maar wij hebben het voordeel
van twee voeten op de grond
en zeer veelzijdige handen.
Dit wordt een beetje moeilijker
Ik heb slechts één voet op de grond
en ik gebruik mijn handen niet.
Let op de reflecterende markering bovenaan de stok.
Daardoor wordt hij gelokaliseerd in de ruimte.
(Applaus)
Merk de fijne correcties op
om de stok in evenwicht te houden.
Hoe ontwierpen we de algoritmen hiervoor?
Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad.
Zodra we een model hebben van het gecombineerde quad-stok-systeem
kunnen we met regeltechniek algoritmen maken om te controleren.
Je kunt zien dat het stabiel is,
zelfs als ik er kleine duwtjes tegen geef,
komt het terug naar de evenwichtspositie.
We kunnen het model ook uitbreiden
met waar we de quad willen hebben in de ruimte.
Met behulp van deze aanwijzer met reflecterende markeringen
kan ik aanwijzen waar ik de quad wil hebben in de ruimte
op een vaste afstand van mij.
De sleutel tot deze acrobatische manoeuvres zijn algoritmen
ontworpen met behulp van wiskundige modellen
en regeltechniek.
Laten we de quad terugroepen
en de stok laten zakken.
Vervolgens zal ik het belang aantonen
van het begrip van fysische modellen
en de werking van de fysische wereld.
Merk op hoe de quad hoogte verloor
toen ik dit glas water erop zette.
In tegenstelling tot de balanceerstok
heb ik het wiskundige model van het glas niet in het systeem opgenomen.
In feite weet het systeem niet eens dat het glas water er is.
Net zoals daarstraks kan ik de aanwijzer gebruiken om de quad te vertellen
waar ik hem wil hebben in de ruimte.
(Applaus)
Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas?
Twee redenen: ten eerste werkt de zwaartekracht
op alle objecten op dezelfde manier.
Ten tweede wijzen alle schroeven
in dezelfde richting als het glas, omhoog dus.
Het netto resultaat van deze twee dingen samen
is dat alle zijdelingse krachten op het glas klein zijn
en vooral gedomineerd worden door aërodynamische effecten,
die bij deze snelheden te verwaarlozen zijn.
Daarom hoef je het glas niet in het model op te nemen.
Uit zichzelf morst het niet, wat de quad ook doet.
(Applaus)
De les hieruit is dat sommige ingewikkelde taken
gemakkelijker zijn dan andere,
en dat het inzicht in de fysica van het probleem
je vertelt welke gemakkelijk en welke moeilijk zijn.
In dit geval is het dragen van een glas water eenvoudig.
En een stok balanceren moeilijk.
We hebben allemaal al verhalen gehoord van atleten
die prestaties verrichtten nadat ze fysiek gewond waren geraakt.
Kan een machine haar taak ook uitvoeren
met extreme fysieke schade?
Conventionele wijsheid zegt je dat je
ten minste vier vaste motor-propellerparen nodig hebt om te vliegen,
omdat er vier graden van vrijheid gecontroleerd moeten worden:
rollen, stampen, gieren en versnelling.
Hexacopters en octocopters, met zes en acht schroeven,
kunnen redundantie bieden,
maar quadrocopters zijn veel meer in trek
omdat ze het minimum aantal
vaste motor-propellerparen hebben: vier.
Is dat wel zo?
Als we het mathematisch model van deze machine analyseren
met slechts twee werkende schroeven
ontdekken we dat er een onconventionele manier bestaat om te vliegen.
Gieren controleren lukt niet meer,
maar rollen, stampen en versnelling kunnen nog steeds worden gecontroleerd
met algoritmes die gebruik maken van deze nieuwe configuratie.
Wiskundige modellen vertellen ons precies
wanneer en waarom dit mogelijk is.
In dit geval laat deze kennis ons toe
nieuwe machinearchitecturen
of slimme algoritmen te ontwerpen die elegant de schade kunnen ondervangen,
net zoals menselijke atleten dat doen,
in plaats van machines met redundantie te bouwen.
Vanzelf houden we onze adem in wanneer we kijken
naar een duiker die een dubbele schroef maakt
of wanneer een hoogspringer een salto maakt in de lucht,
terwijl de grond op hem af komt.
Zal de duiker mooi het water raken?
Zal de hoogspringer goed neerkomen?
Stel dat we willen dat deze quad hier
een drievoudige salto uitvoert en
op exact dezelfde plek neerkomt als waarvan hij vertrok.
Deze manoeuvre gaat zo snel
dat we geen positiefeedback kunnen gebruiken om de beweging tijdens de uitvoering te corrigeren.
Er is gewoon niet genoeg tijd.
De quad kan dit manoeuvre blindelings uitvoeren,
observeren hoe hij eindigt
en die informatie gebruiken om het gedrag aan te passen
zodat zijn volgende salto beter is.
Vergelijkbaar met de duiker en de hoogspringer
kan de manoeuvre alleen door middel van herhaalde praktijk
worden geleerd en uitgevoerd
tot de hoogste norm.
(Applaus)
Een bewegende bal raken, is een noodzakelijke vaardigheid in vele sporten.
Hoe laten we een machine doen
wat een atleet schijnbaar zonder moeite kan?
(Applaus)
Deze quad heeft een racket op zijn kop
met een ‘sweet spot’ ongeveer ter grootte van een appel, niet al te groot dus.
De volgende berekeningen gebeuren elke 20 milliseconden
of 50 keer per seconde.
Eerst bepalen we waar de bal naartoe gaat.
Dan berekenen we hoe de quad de bal moet raken
zodat hij terugkeert naar zijn uitgangspunt.
Ten derde wordt een baan bepaald
die de quad van zijn huidige positie naar het raakpunt met de bal brengt.
Ten vierde voeren we alleen maar 20 milliseconden van die strategie uit.
Twintig milliseconden later wordt het hele proces herhaald
totdat de quad de bal raakt.
(Applaus)
Machines kunnen niet alleen op zichzelf dynamische manoeuvres uitvoeren,
ze kunnen het ook samen doen.
Deze drie quads dragen coöperatief een vangnet.
(Applaus)
Zij voeren een uiterst dynamisch
en collectief manoeuvre uit
om de bal terug naar mij te gooien.
Merk op dat deze quads bij volledige uitrekking verticaal staan.
(Applaus)
In feite voelen ze bij volledige uitrekking
een ongeveer vijf keer grotere kracht
dan een bungeespringer aan het einde van zijn val.
Deze algoritmen zijn zeer vergelijkbaar
met die van de enkele quad om de bal naar mij terug te slaan.
Wiskundige modellen worden gebruikt om continu 50 keer per seconde
een coöperatieve strategie te herplannen.
Alles wat we tot nu toe hebben gezien,
ging over de machines en hun mogelijkheden.
Wat gebeurt er als we deze machine-atletiek
met die van een mens koppelen?
Ik heb hier een commerciële gebarensensor
voornamelijk gebruikt bij het gamen.
Hij herkent wat mijn verschillende lichaamsdelen
in real time doen.
Vergelijkbaar met de aanwijzer die ik al eerder gebruikte,
kunnen we dit gebruiken als input voor het systeem.
We hebben nu een natuurlijke manier van interactie
van de ruwe atletiek van deze quads met mijn gebaren.
(Applaus)
Interactie hoeft niet virtueel te zijn. Het kan ook fysiek.
Neem bijvoorbeeld deze quad.
Hij probeert om op een vast punt in de ruimte te blijven.
Als ik hem probeer te verplaatsen, vecht hij tegen
en gaat terug naar waar hij wil zijn.
We kunnen dit gedrag echter wijzigen.
Met wiskundige modellen kunnen we
de kracht schatten die ik uitoefen op de quad.
Zodra we deze kracht kennen, kunnen we ook de wetten van de fysica veranderen.
Die van de quad, natuurlijk.
Hier gedraagt de quad zich alsof hij
in een kleverige vloeistof zit.
We hebben nu een intieme manier
van interactie met een machine.
Ik gebruik nu deze nieuwe mogelijkheid
om deze quad-met-camera op de juiste locatie te plaatsen
om de rest van deze demonstratie te filmen.
We kunnen nu fysiek met deze quads communiceren
en de wetten van de fysica veranderen.
Laten we daar eens een beetje lol mee maken.
Deze quads gaan zich gedragen
alsof ze op Pluto zijn.
Geleidelijk aan zal de zwaartekracht toenemen
totdat we allemaal terug op de Aarde zijn.
Maar ik verzeker jullie dat we er niet zullen geraken.
Oké, hier gaan we.
(Gelach)
(Applaus)
Oef!
Jullie denken nu allemaal zeker
dat deze jongens veel te veel plezier hebben.
Waarschijnlijk vraag je jezelf ook af
waarom ze eigenlijk die machine-atleten maken.
Sommigen vermoeden dat spelen in het dierenrijk
dient om vaardigheden aan te scherpen en vermogens te ontwikkelen.
Anderen zien er meer een sociale rol in
voor het versterken van de groepsbinding.
Zo gebruiken wij de analogie met sport en atletiek
voor het maken van nieuwe algoritmen voor machines
om ze tot hun uiterste mogelijkheden te dwingen.
Welke gevolgen zal de snelheid van machines hebben op onze manier van leven?
Zoals onze vroegere creaties en innovaties
kunnen ze worden gebruikt ter verbetering van het menselijk bestaan,
maar ze kunnen ook worden misbruikt.
Het is geen technische keuze waar wij mee worden geconfronteerd,
maar een sociale keuze.
Laten we de juiste keuze maken,
de keuze die het beste haalt uit de toekomst van de machines,
net zoals atletiek in de sport
het beste uit ons kan halen.
Laat me jullie de tovenaars achter de schermen voorstellen.
Het zijn de huidige leden van het onderzoeksteam Flying Machine Arena.
(Applaus)
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,
Sergei Lupashin, Mark Muller en Robin Ritz.
Hou ze in de gaten. Ze zijn voorbestemd voor grote dingen.
Bedankt.
(Applaus)