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?

Uchopit a pochopit

Skrze kůži vnímáme okolní svět a máme díky tomu proti robotům výrazný náskok. Prozatím. Umělá kůže totiž strojům brzy propůjčí tělesné pocity a hmatový smysl.
MANUEL SCHREIBER

Malé děti objevují svět tak, že všechno osahávají – umělohmotnou hračku stejně jako horkou ploténku sporáku. Ale jak se vnímají povrchy předmětů a co je bolest, to se musí člověk nejprve naučit – od přírody tyto pocity nezná. Napomáhá tomu kolem pěti milionů smyslových buněk v kůži, rozložených po ploše 1,5 až 2 m2. Těmito receptory registrujeme nejen bolest, ale také něžné dotyky, chladný závan větru nebo hřejivé sluneční paprsky.
Naopak strojům tyto informace chybějí. Vědci se proto pokoušejí potáhnout roboty umělou kůží. S ní mají stroje nejen pracovat citlivěji, ale také se dozvědět více o sobě.

Taktilní IQ: Robot potřebuje víc než několik senzorů

Pocitové uchopování je mimořádně důležité především pro humanoidní roboty, ty ostatně mají v budoucnosti pomáhat člověku při jeho úlohách například v domácnosti, v nemocnici a při péči o seniory. Stroje jsou ale precizní už nyní: na jedné straně neupustí plnou sklenici vody a na druhé straně se stejnou jistotou zmačkají tenký papírový pohárek. Vděčí za to optickým senzorům na hlavě a tlakovým senzorům v prstech. Kamera skenuje prostor a rozpoznává v něm objekty: tlaková čidla přitom pomáhají svírat prsty odpovídající silou. V tomto směru napodobují stroje člověka: "Jestliže například chcete zvednout sklenici, váš mozek už před okamžikem provedení odhadl, o jaký objekt se jedná, kolik by mohl vážit a jak bude pociťován při úchopu," vysvětluje Ing. Philipp Mittendorfer z Technické univerzity v Mnichově. Mezi člověkem a strojem však existuje jeden podstatný rozdíl. Je-li tatáž sklenice pokryta kusem látky, dokáže ji člověk stále ještě uchopit, poněvadž ji svými prsty osahá a rozpozná. Stroj v takové situaci selže, neboť objekt nemůže identifikovat. Robot tedy potřebuje víc než jednu kameru a pár tlakových senzorů. Řešení se jmenuje "taktilní inteligence", rozšíření vjemů pomocí senzitivních povrchů. Stroje tak získávají kůži, která cítí teplotu, dotyky a nárazy.
Pro člověka je to všechno samozřejmostí, většinu pohybů provádí nevědomky. Je to možné jen proto, poněvadž se už od narození učí a své zkušenosti vzájemně propojuje. Základem všech pocitů jsou nervy v kůži, například nociceptory (tzv. "volná nervová zakončení"), které reagují na bolest, a Meissnerova tělíska, jimiž člověk pociťuje dotyky (viz grafika).
Vědci se nyní snaží ty nejdůležitější z těchto senzorů napodobit. "Na každém modulu máme teplotní senzor, akcelerační senzor (vnímá vibrace) a infračervený distanční senzor, který má emulovat dotykovou schopnost lidské kůže," říká Mittendorfer. Vědec k tomu používá pět čtverečních centimetrů velké moduly, z nichž každý je poháněn 32bitovým procesorem PIC32 výrobce Microchip. Na rozdíl od mnoha podobných projektů ale mnichovští vědci pracují na rozhodujícím detailu: normálně je každý modul programován jednotlivě a pro stroj nakalibrován – přibude-li další modul, musí vývojář také tento modul manuálně pro robota přizpůsobit. Při hrstce senzorů funguje tato metoda bezproblémově. Jenomže jednou přijde doba, kdy bude zapotřebí pokrýt pravou senzitivní kůží celé tělo robota, a ta se proto bude skládat z mnoha stovek nebo tisíc takových modulů. Naprogramovat každý jednotlivě by bylo neúnosně nákladné. Nové destičky se naproti tomu mají samy organizovat. Zda bude použito 10, 100, nebo také 1 000 modulů, to pak už nebude hrát žádnou roli – kůže se stroji přizpůsobí.

Sebepoznání: Kdo jsem a kde končím?

Aby moduly umožnily "zasíťování" kůže, používají propojení typu "soused-soused". To znamená, že každá jednotlivá destička posílá své informace nikoli počítači, ale přepošle celý datový paket vedlejšímu modulu. Aby se systém dozvěděl, který modul reaguje, má každá jednotlivá destička svou vlastní identifikaci (ID). Pokud některý modul vypadne, může pak stroj zvolit alternativní cesty, vysvětluje Mittendorfer. Robot tedy zaregistruje výpadek a nadále použije okliku přes sousední modul. Latentní doba pocitu přitom zůstává podivuhodně krátká. Centrální jednotce předají moduly signál za méně než jednu milisekundu. Toto rozhraní obdržený paket přeloží pro operační systém. Celková latentní doba pak podle použitého systému kolísá mezi dvěma až třemi milisekundami. Pro srovnání: Než může na podnět zareagovat člověk, uplyne 200 až 300 ms. Člověk však pohyby předem promýšlí, zatímco stroj vyvolává naprogramované moduly.
Umělá kůže má ale umět ještě víc než jen reagovat na dotyky nebo kolísání teploty. Prostřednictvím kůže se má robot naučit "uvědomit si" sám sebe a vědět, kde končí jeho tělo a kde začíná okolní prostředí. To by byl důležitý krok k inteligentním strojům, které komunikují s lidmi a v nemocnici opatrně zacházejí s pacienty. Dosud je robotu úplně jedno, zda někde narazí, nemůže pozvednout paži nebo mu upadne noha. Stroj se stoicky pokouší provádět své předepsané pohyby, neboť neví, že s jeho tělem není něco v pořádku. S kůží by se to mohlo změnit, poněvadž prostřednictvím senzorů pozná každou chybu. V optimálním případě se pak robot nakalibruje plně automaticky. "Dítě také z počátku neví, kde jsou všechny jeho senzory a aktory, toto přiřazení se však naučí. A naučí se, co je ono samo, kde končí okolí a kde začíná ‚Já' – to by měl robot dokázat také," říká Mittendorfer. Předpokladem k tomu je, aby byl stroj kompletně potažen umělou kůží. Problémem však je, že bude ještě nějakou dobu trvat, než budou destičky pro takové nasazení dostatečně malé a flexibilní. Dosud pracují výzkumníci maximálně s 31 senzory, které jsou rozprostřeny po celém těle robota.
ZÁVĚR: Umělá kůže znamená pro stroj důležitý pokrok. Horko, chlad nebo lehký dotek – na to robot reaguje už dnes. Napříště má být možné také opatrné ohmatání, aby mohl stroj s objekty lépe zacházet a komunikovat s lidmi. "Kdy se umělá kůže přiblíží té lidské, to je otázka technologie," tvrdí Mittendorfer. Dalším krokem budou flexibilní moduly, které se dají snáze aplikovat, například křemíkové čipy, aby bylo možné senzory a zpracovávací logiku umístit na co nejmenším prostoru. Stroje vnímající pocity jsou nám tak stále blíže – možná už začínají klepat na dveře.
AUTOR@CHIP.CZ

Člověk

JAK VNÍMÁ KŮŽE
Kůže je náš nejmnohotvárnější a největší orgán. Člověka chrání před poraněními, tělo ochlazuje i zahřívá. Její pomocí si člověk také osahává okolní prostředí.

Kůže sestává ze tří hlavních vrstev: vrchní pokožka se skládá z rohovatících desek, škára obsahuje mj.nervy a smyslové orgány a v podkožním vazivu se hromadí tukové polštářky zajišťující tepelnou izolaci.
Kolem pěti milionů receptorů je rozprostřeno na dvou až pěti čtverečních metrech plochy kůže. Při rozpoznávání dotyků se rozlišuje v zásadě šest různých typů smyslových buněk.

Meissnerova tělíska měří dotyky a změny tlaku.
Merkelovy buňky registrují tlak v neochlupených regionech kůže.
Ruffiniho tělíska rozpoznávají protahování kůže.
Senzory vlasových folikulů detekují dotyky.
Hmatové destičky vnímají tlak v ochlupených regionech kůže.
Vater-Pacciniho tělíska reagují na vibrace.

Mícha zpracovává kůži přijaté popudy jako bolesti. Tyto signály nejsou vedeny do mozku, nýbrž jako ochranný reflex rovnou převedeny v pohyb.
Mozek analyzuje například dotyky a porovnává je s dosud nashromážděnými zkušenostmi. Tak člověk rozlišuje i velmi jemné rozdíly povrchových struktur

Přednosti a slabiny
+ kůže regeneruje
+ velmi citlivá
+ ochranná funkce
- pomalá reakce
- málo odolná kvůli stárnutí

Stroj

JAK CÍTÍ ROBOT
Skelet robota je potažen destičkami, které jsou vybaveny senzory. Díky těmto modulům se stroj učí pociťovat své okolní prostředí a vnímat své vlastní tělo.

Díky modulární stavbě lze propojit libovolný počet destiček dohromady. Při zaregistrování dotyku vyšle modul signál nikoli přímo do počítače, ale provede jej skrze sousedící propojení do centrální jednotky.
Každá destička je za současného stavu techniky velká pět čtverečních centimetrů a sestává z procesoru, šesti teplotních senzorů, čtyř infračervených senzorů, které registrují dotyky, a akceleračního senzoru rozpoznávajícího pohyby.

Centrální jednotka je rozhraní, které pro systém překládá obdržené datové pakety z modulů. Stroj rozpoznává a zpracovává dotyk ve dvou až třech milise¬kundách.
Databanka je umělý mozek. K obdrženému signálu vyvolává odpovídající akci a posila příkaz dále pohybovým motorům.
Pohyb robota má simulovat lidské chování. Zaregistruje-li ruka například externí horko, stroj ji rychle stáhne zpět.

Přednosti a slabiny
+ rychlá reakce
+ libovolná rozšiřitelnost
- velké moduly
- neflexibilní destičky
- neschopnost regenerace