Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Humanoidní robot Athena, vyvíjený ve spolupráci německých výzkumníků s organizacemi a firmami z USA, představuje významný krok na cestě k výkonným inteligentním strojům umožňujícím účinně vykonávat záchranné práce v situacích a prostředích pro člověka krajně namáhavých, nebezpečných či vůbec neschůdných.
Katastrofa v jaderné elektrárně ve Fukušimě i např. nedávné výbuchy ve skladu munice ve Vrběticích ukázaly, jak daleko jsou zatím výsledky výzkumu v mobilní robotice od možného využití v praxi. Stále ještě chybí autonomní systémy, které spolehlivě a samostatně dokážou otevřít dveře, uzavřít ventily, uvést do chodu čerpadla apod. Jde o rozmanité, za běžných okolností zcela všední úkony, které provést při katastrofě v nebezpečném prostředí je na hranici a mnohdy za hranicí lidských schopností. Vědci a inženýři po celém světě vyvíjejí roboty všeho druhu, které se dokážou samostatně a spolehlivě pohybovat mezi troskami – např. ve zničených budovách elektrárny nebo v oblastech postižených zemětřesením či výbuchy – a dovedou účelně a samostatně jednat. To je mimořádně nesnadná úloha, kterou by měl být schopen řešit i nový humanoidní robot Athena.
Humanoidní robot Athena se představuje
Ideu a koncepci humanoidního robotu pro záchranné práce zformuloval Stefan Schaal, ředitel odboru pro automní pohyb v Ústavu Maxe Plancka pro inteligentní systémy, pracoviště Tübingen (Autonome Motorik, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Tübingen – MPI-IS), společně se svým týmem a ve spolupráci s partnerskou laboratoří na Univerzitě Jižní Kalifornie, kde působí jako profesor v oborech počítačové vědy, neurovědy a biomedicínského inženýrství. Podle vypracovaného zadání robot, pokřtěný ženským jménem Athena, vyrobila americká firma Sarcos (součást koncernu Raytheon), specializující se na výrobu robotů.
Vývoj humanoidního robotu Athena byl iniciován programem USA pro podporu využití robotiky při katastrofách, který zastřešuje agentura pro pokročilý výzkum obranných prostředků DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Zatímco program agentury DARPA je zaměřen na vývoj dálkově ovládaných robotů, cíle výzkumu v Ústavu Maxe Plancka pro inteligentní systémy jsou mnohem vyšší. Odborníci zde chtějí nový robot vybavit skutečným autonomním chováním a také ho naučit chápat snímaný obraz i souvislosti objektů v obrazu. Robot Athena, stojící na dvou nohách s chodidly, je 188 cm vysoký, ale přitom váží jenom 48 kg. Je koncipován jako humanoidní (člověku podobný), protože by měl být v budoucnu používán v prostředích, která jsou přizpůsobena člověku. Dvounohé roboty mají oproti čtyřnohým „kolegům“ výhodu v tom, že snáze procházejí úzkými průchody a mohou se napřímit, aby mohly vykonávat i činnosti ve vyšších polohách (např. vyměnit žárovku ve stropním svítidle, otevřít stropní okno apod.).
Robot Athena přiletěl z USA na palubě letadla Boeing 747-8 pravidelnou linkou Lufthansy LH 457 z Los Angeles v úterý 16. prosince 2014 a přistál na letišti ve Frankfurtu nad Mohanem v 11:05 h. Robot cestoval v doprovodu Dr. Jeannetty Bohgové a Alexandra Herzoga, vědeckých pracovníků MPI-IS. Během letu seděl jako běžný pasažér v kabině ekonomické třídy, ale aniž něco jedl, pil nebo šel na toaletu. Jeho průvodci ho k letadlu přivezli na invalidním vozíku. Stejným způsobem opustil ve Frankfurtu letadlo a nastoupil do mikrobusu (obr. 1), který ho dovezl „domů“, přesněji na odbor Autonome Motorik MPI-IS v Tübingenu (obr. 2). Zde ho chtějí vědečtí pracovníci ústavu v nadcházejících měsících naučit mnoho nového, např. samostatně stát, chodit a udržovat rovnováhu, a také vykonávat další účelné činnosti, s nimiž by jednou mohl pomáhat zachraňovat lidi.
Nový humanoidní robot – spíše pomocník při katastrofách než zdravotní sestra
Nový robot skrývá mnoho technických fines. Jeho hlava je opatřena senzory umožňujícími mu snímat okolí. Kamerový stereosystém přitom funguje velmi podobně jako lidský zrak a ze dvou snímaných obrazů dokáže vypočítat trojrozměrný prostorový obraz. Robot Athena proto např. může z malé vzdálenosti přesně lokalizovat polohu objektů, které chce uchopit. Vidění na větší vzdálenosti zajišťuje laserový skener Velodyne, vzhledu malého majáku na hlavě robotu. Skener vysílá 32 laserových paprsků v jednom svazku a z odraženého světla vypočítává vzdálenost k povrchům objektů v okolí. Laserový skener se otáčí desetkrát za sekundu kolem vertikální osy a skenuje tak celé své okolí do vzdálenosti až 80 m.
V Tübingenu se pracovníci ústavu chystají namontovat na horní část těla robotu speciální senzor rovnováhy. Ten bude snímat narovnání (vzpřímení) robotu a zrychlení, která vznikají např. při pádu nebo nárazech do robotu. Na správné paže v konečné verzi si musí robot ještě pár měsíců počkat, protože se teprve vyrábějí. Momentálně má robot, především z kosmetických důvodů, namontovány provizorní paže z plastu, které byly zhotoveny v ústavu pomocí trojrozměrné (3D) tiskárny. Provizorní paže neobsahují žádné senzory ani akční členy a lze jimi pohybovat jenom ručně, nicméně výzkumným pracovníkům umožňují posuzovat a hodnotit celkový design robotu.
Nohy robotu Athena jsou velmi obratné. Jejich kyčelní a kolenní klouby jsou ovládány hydraulicky olejem pod tlakem 20 MPa. Senzory ve všech kloubech měří polohu a působící sílu a předávají zjištěné údaje do počítače, který prostřednictvím hydraulických ventilů řídí pohyb kloubů. Robot Athena stojí na protézách chodidel, které byly původně vyvinuty pro člověka. Materiál na bázi uhlíkových vláken, ze kterého jsou protézy vyrobeny, zajišťuje pérování vhodné pro běh na dvou nohách. Athena je první humanoidní robot, u kterého jsou takové protézy chodidel použity.
K pohonu kloubů zatížených vlastní hmotností robotu je třeba dodávat hodně energie. Potřebné množství hydraulického oleje pod velkým tlakem zatím do kloubů robotu dodává soustavou hadic rozměrné laboratorní čerpadlo. Robot Athena tedy prozatím není energeticky nezávislý a momentálně potřebuje externí hydraulický zdroj. Předpokládá se, že v budoucnu bude tento zdroj vestavěn přímo do robotu. Naproti tomu elektronika a senzory potřebují v porovnání s akčními členy energie jen málo. Zatím ji dodává externí napájecí zdroj připojený k robotu kabelem.
Humanoidní robot Athena je stroj – a také se tak chová a vypadá. Rozhodně to není prototyp asistujícího robota, který bude jednou pomáhat v nemocnici ošetřujícímu personálu nebo podporovat starší lidi, aby mohli déle žít samostatně ve svém domácím prostředí. Profesor Schaal vysvětluje: „Athena je robot, který dokáže zachránit osoby ze zříceného domu nebo kterého je možné poslat do lesa, aby hledal šestiletého chlapce, který se ztratil. Je určen k provádění tělesně namáhavé práce v komplikovaném terénu, který často není přístupný nebo je pro člověka nebezpečný, ale není vhodný jako pomocník a společník do bytu seniora.“
Robot Athena se musí ještě hodně učit
Humanoidní robot Athena je robot zcela nové generace, který umí zatím vykonávat jenom jednoduché základní pohyby. Než bude moci samostatně stát, chodit a udržovat rovnováhu, rozhodně uplyne i více měsíců. Střednědobým cílem vědeckých pracovníků v Tübingenu je naučit robot chodit v nerovném terénu a překonávat překážky. Dlouhodobým cílem je mj. zajistit koordinaci všech pohybů celého těla robotu, např. má-li uchopit objekt mimo svůj momentání dosah
nebo má-li se pohybovat ve stísněných prostorách. Při těchto úkonech musí umět udržovat rovnováhu, umět se zapřít, natáhnout se po něčem a uchopit to nebo popř. po pádu samostatně vstát. K tomu především musí správně a přesně vnímat okolí.
Aby těchto náročných vytyčených cílů dosáhli, musí odborní pracovníci ústavu věnovat ještě hodně času základnímu výzkumu a vývoji. Základní principy, které se skrývají za lidskou schopností vykonávat rozličné, zdánlivě jednoduché úkoly, jsou v současnosti ještě v podstatě neznámé. „Pro nás je důležité, aby se robot mohl v budoucnu bezpečně pohybovat v nerovném a těžkém terénu,“ zdůrazňuje profesor Schaal. „V našem výzkumu jde u takových futuristických systémů speciálně o samostatné vnímání, jednání a schopnost učit se. Doufáme, že jednoho dne budou roboty účinně pomáhat lidem i ve složitých podmínkách, např. při odstraňování následků živelních katastrof, při kosmických letech, při poskytování pomoci při epidemiích, při zvládání krizových situací, jako jsou požáry, průmyslové havárie, vyhledávání osob atd. – to znamená téměř všude, kde robotické systémy na kolech nejsou použitelné.“
[Roboter an Bord – Der Roboter „Athena“ hat neue Impulse für die Robotikforschung im Gepäck. Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, 16. prosince 2014.]
Ing. Karel Kabeš
Obr. 1. Humanoidní robot Athena v doprovodu Dr. Boghové a A. Herzoga na letišti ve Frankfurtu nad Mohanem (foto: MPI-IS Tübingen)
Obr. 2. Pracovníci oddělení Autonomní motorika vítají robot po příjezdu do Tübingenu (foto: MPI-IS Tübingen)