Seriál Člověk proti stroji
Část 1: Porozumění řeči: Může s námi počítač komunikovat?
Část 2: Fotbalový zápas: Kopou roboti lépe než reprezentační jedenáctka?
Část 3: Zrakový test: Má počítač ostřejší zrak?
Část 4: Absolutní sluch: Kdo slyší více zvukových frekvencí?
Část 5: Perfektní čich: Cítí počítač jednotlivé molekuly?
Část 6: Úchopový test: Je stroj přesnější než naše ruka?
Inteligence pohybu
V budoucnu by měli fotbaloví roboti porazit kterékoli mužstvo hrající na mistrovství světa v kopané. Zatím však stroje zápolí především s tím, aby se při odkopu nepřekotily.
MANUEL SCHREIBER
Hned dvě fotbalová mistrovství světa se konají v letošním roce: MS žen v Německu a RoboCup v tureckém Istanbulu. Zatímco od národních jedenáctek se očekává titul mistra světa, vývojáři robotů tak vysoké nároky na své hráče nekladou. Velkým úspěchem je už to, když umělý fotbalista při chůzi neupadne, nesrazí svého spoluhráče a správně se trefí do míče.
Potřebujeme ale vůbec kopající stroje? Jako takové je samozřejmě nepotřebujeme. Tento druh sportu je však tak komplexní disciplína, že zahrnuje všechny standardní problémy umělé inteligence najednou. Při hře se roboti musí vypořádat s dynamickým prostředím a počínat si takticky chytře. Jednou z největších výzev je však pohyb - fotbalový zápas je proto ideálním experimentálním polem pro vývojáře všude na světě.
Orientace: S kamerou a rádiem k modelu světa
Žádný trenér by nikomu neprozradil taktické detaily svého mužstva. Na RoboCupu je přesně toto v popředí zájmu, neboť všechny týmy společně usilují o technický pokrok. Aby bylo možné výsledky porovnávat, stroje proti sobě nastupují v různých kategoriích. Například ve Standard Platform League smějí vývojáři používat jen standardizovaného robota Nao (viz obrázek vpravo) od francouzského výrobce Aldebaran Robotics. Hardware je tedy předem daný, software musí přizpůsobit vývojáři. Práci to ovšem nijak neusnadňuje: "Nejobtížnější je souhra jednotlivých dílů. Jenom když funguje kompletní systém, lze mluvit o úspěchu," říká informatik Dr. Thomas Röfer. Jeho tým B-Human patří k předním favoritům RoboCupu – už v posledních dvou letech dobyl pro univerzitu v Brémách a Německé výzkumné středisko umělé inteligence (DFKI) titul světového mistra.
Než se vývojový tým dostal tak daleko, bylo zapotřebí mnoho příprav. Dříve než může Nao samostatně vyběhnout a pustit se do akce, musí vědět, kde se nachází a co má dělat. Vývojáři proto své hráče před každým zápasem kalibrují, neboť sebemenší odchylky mohou mít za následek, že robot nepozná své okolí – první překážka, na níž někteří hráči ztroskotají, poněvadž mnoha chyb si vývojáři povšimnou až tehdy, když se jejich chráněnci postaví na hrací plochu. Není pak neobvyklé, když například brankář narazí do tyče vlastní branky a útočník se rozběhne do publika místo do středového kruhu. Jakmile hráč stojí na své pozici, proběhne barevné kamerové skenování. "Postranní i vnitřní čáry na hřišti, branky, protihráči – to vše musí robot vidět, a to po celou dobu," říká technik Heinrich Mellmann, šéf Nao týmu Humboldtovy univerzity v Berlíně.
I analýza barev je však metoda náchylná k chybám – už jen jinak zbarvený míč stačí, aby jej robot jako takový nevnímal. Člověk takové problémy nezná. Barevné kódy jsou mu lhostejné, pomáhají mu jedině při orientaci, v případě pochybnosti si udělá závěry na základě kontextu. Tak je například možné poznat známou osobu jenom podle chůze.
Své znalosti sdílí Nao po rádiových vlnách se svými spoluhráči, aby z individuálních určení pozic vznikl exaktní a aktuální obraz – model světa neživých hráčů. Jen tak se roboti mohou dorozumívat o taktice, takže například jeden Nao běží k míči, zatímco druhý nabíhá do soupeřovy "šestnáctky".
Mám teď běžet za míčem, nebo se stáhnout do obrany? Člověk často jedná intuitivně a ve zlomcích sekundy vyhodnotí své možnosti a rozezná nebezpečí. Naproti tomu robot ve své řídicí jednotce jedná podle taktického zadání. Je-li Nao například při napadení soupeřem zablokován, zůstane na několik sekund stát, aby si propočítal situaci, pak se natočí k míči a někomu jej přihraje. Tato akce si může vyžádat i dvacet sekund – pro živé hráče naprosto nemyslitelné. O mnoho rychleji však fotbalový stroj jednat nedokáže, neboť dříve, než může taktiku realizovat, musí prohledat svou databanku. "Samozřejmě je přitom limitujícím faktorem také výpočetní výkon: kamera dodává 30 snímků za sekundu a Nao si musí vystačit s 500MHz procesorem," vysvětluje Heinrich Mellmann.
K přetavení taktiky v účelný pohyb využívají výzkumníci naprogramované modely, jimiž se stroj ovládá, a na ně navazující, na situaci závislé variace. Že se má Nao například při odkopu napozicovat za míčem, to je pevně naprogramováno. Že však nevystřelí na branku, je-li zakryta, nýbrž ve správném úhlu přihraje spoluhráči, to je reakce, kterou robot provádí dynamicky.
V jednoduchém prostředí není taktická hra žádný problém, fotbal ale žije ze své rychlosti: soupeři se neustále pohybují, míč putuje od jednoho konce hřiště ke druhému. Povel "odehraj míč" pak už může být zastaralý ještě dříve, než se robot vůbec zmůže na nějaký pohyb. Pomalejší reakční doba robota Nao ale nemusí být pokaždé nevýhodou, uvažuje Mellmann: "Poněvadž jeho vnímání je omezené, potřebuje určitou setrvačnost. Jinak by se stále jenom rozhodoval a například ihned začínal hledat míč, jakmile jej ztratí z očí, namísto aby sledoval svůj vlastní cíl, totiž vstřelit branku."
Správné chování: Pohybovat se takticky – a neupadnout
Reakční doba však není jediným problémem robota Nao. Nemá totiž ani přirozený smysl pro rovnováhu. Zatímco člověk dokáže rychle běžet a případný chybný krok okamžitě vyrovnat, pro humanoidní roboty je už i normální chůze velkou výzvou. Aby neupadl, postupuje Nao po malých krůčcích, jimiž dosahuje rychlosti nanejvýš 28 cm/s. Také se střelbou jsou potíže, neboť ji Nao neumí provádět za běhu. "To je pro nás druhá velká výzva. První náznaky řešení snad už budeme schopni předvést na RoboCupu v Istanbulu," říká Röfer.
Aby vůbec udržel rovnováhu, musí robot neustále propočítávat a přesouvat (metoda ZMP, viz schéma vpravo) své těžiště na základě řady senzorů, měřících mj. postavení a úhly kloubů a zrychlení. Tvrdým oříškem ale zůstávají neočekávané události jako "fauly" soupeřů a náhlé překážky, po nichž hráč končí na zemi. "Člověk má hmatový smysl, který robotu chybí. Ne každé postrčení ale znamená hned úraz – koneckonců je to fotbal a nikdo nechce riskovat ztrátu míče," usmívá se Mellmann.
ZÁVĚR: Cílem, který si pořadatelé RoboCupu vytyčili, je porazit s týmem robotů do roku 2050 kterékoli lidské reprezentační mužstvo účastnící se mistrovství světa. Thomas Röfer to nepovažuje za vyloučené: "Roboti se sice ještě neumějí pohybovat jako živé bytosti, je ale neuvěřitelné, jak daleko se vývoj dostal v posledních patnácti letech. A do roku 2050 máme ještě 39 let času." Že by roboti skutečně nastoupili proti lidem, to však i on v žertu zpochybňuje: "Neumím si představit, že by někdo byl ochoten pro takové utkání živé fotbalisty pojistit."
A tak roboti sice ještě stojí na začátku své evoluce, dvě výhody oproti člověku však mají už dnes: nemají svaly, které se unaví, a opotřebované díly se dají velmi snadno vyměnit.
AUTOR@CHIP.CZ
Člověk
JAK SVÉ POHYBY KOORDINUJE ČLOVĚK
Nacvičené průběhy pohybů, taktika a reakce jsou u fotbalu velmi důležité. Při konfliktních situacích chrání zraněním reflexy.
Ucho
Vnitřní ucho a malý mozek kontrolují vlastní držení těla a udržují rovnováhu.
Zvukové vlny jsou zapotřebí pro prostorovou orientaci a odhad vzdáleností.
Mozek
Motorický kortex řídí vědomé pohyby.
Bazální ganglie je podporují a potlačují rušivé pohyby.
Oko
Vnímání slouží k výpočtu vlastní pozice relativně k míči.
Optické pevné body pomáhají při chůzi přímým směrem.
Odstup očí zajišťuje prostorový vjem.
Mícha
Vnitřní neurony řídí reflexy a jsou neovlivnitelné.
Svaly
Svalové skupiny jsou šlachami spojeny s kostmi.
Proteiny (aktin a myosin) se starají o kontrakci svalových vláken – výsledkem je pohyb.
Přednosti a slabiny
+ Rychlé reakce
+ Vysoká rychlost běhu
+ Ochranné reflexy
- Kolísavá kondice, omezená síla
- Zranění mohou vést k nenapravitelným škodám
Stroj
JAK SVÉ POHYBY KOORDINUJE STROJ
Řídicí jednotka stanoví na základě analýzy okolí taktiku a vyvolává vy volává příslušné pohyby z knihovny.
Analýza okolí
Kamera skenuje prostor.
Senzor kontroluje náklon hlavy.
Výpočet stanoviště
Relativní určení pozice vůči míči podle vlastních souřadnic.
Absolutní určení pozice z informací spoluhráčů.
Wi-Fi/infračervené vysílače přenášejí pozice spoluhráčů na hrací ploše.
Model světa vzniká spojením všech shromážděných informací.
Řídicí jednotka chování
Hybrid Control – centrální rozhraní pohybů kontroluje taktiku na základě modelu světa.
Rozhodovací moduly
Deliberative Control rozhoduje o postupu v plánovací fázi.
Reactive Control nepředvídané události změnou taktiky.
Knihovna pohybů
Pevné, statické pohyby, například stání a vstávání.
Komplexní, dynamické pohyby, například vyhýbání se pohyblivým překážkám a sledování míče.
Rovnováha
Výpočet opěrného bodu při každém pohybu, aby se robot nepřevrátil (metoda Zero Moment Point).
Těžiště (Center of Mass) je pro tento výpočet rozhodující.
Přednosti a slabiny
+ Konstantní výkon
+ Vyměnitelné díly
- Velmi špatná reakce
- Malá rychlost běhu
- Téměř neexistující smysl pro rovnováhu