Então, vocêprecisa de um roba´ que sobe escadas. Qual a forma desse roba´? Deve ter duas pernas, como uma pessoa? Ou seis, como uma formiga?

Escolher a forma certa serávital para a capacidade do seu roba´ de atravessar um terreno especa­fico. E éimpossí­vel construir e testar todas as formas potenciais. Mas agora um sistema desenvolvido pelo MIT torna possí­vel simula¡-los e determinar qual projeto funciona melhor.

Vocaª comea§a dizendo ao sistema, chamado RoboGrammar, quais pea§as do roba´ estãoespalhadas por sua oficina - rodas, juntas, etc. Vocaª também informa em qual terreno seu roba´ precisara¡ navegar. E o RoboGrammar faz o resto, gerando uma estrutura otimizada e um programa de controle para o seu roba´.

O avanço pode injetar no campo uma dose de criatividade auxiliada por computador. “O projeto do roba´ ainda éum processo muito manual”, diz Allan Zhao, o autor principal do artigo e um aluno de doutorado no Laborata³rio de Ciência da Computação e Inteligaªncia Artificial do MIT (CSAIL). Ele descreve o RoboGrammar como “uma maneira de apresentar projetos de robôs novos e mais criativos que poderiam ser potencialmente mais eficazes”.

Zhao éo autor principal do artigo, que ele apresentara¡ na conferaªncia SIGGRAPH asia deste maªs. Os co-autores incluem a estudante de doutorado Jie Xu, a pa³s-doutoranda Mina Konaković-Luković, a pa³s-doutorada Josephine Hughes, o aluno de doutorado Andrew Spielberg e os professores Daniela Rus e Wojciech Matusik, todos do MIT.

Os robôs são construa­dos para uma variedade quase infinita de tarefas, mas “todos eles tendem a ser muito semelhantes em sua forma geral e design”, diz Zhao. Por exemplo, “quando vocêpensa em construir um roba´ que precisa cruzar vários terrenos, vocêimediatamente salta para um quadraºpede”, acrescenta ele, referindo-se a um animal de quatro patas como um cachorro. “Esta¡vamos nos perguntando se esse érealmente o design ideal.”

A equipe de Zhao especulou que um design mais inovador poderia melhorar a funcionalidade. Então, eles construa­ram um modelo de computador para a tarefa - um sistema que não foi indevidamente influenciado por convenções anteriores. E embora a inventividade fosse o objetivo, Zhao teve que estabelecer algumas regras ba¡sicas.

O universo de formas possa­veis de robôs é“principalmente composto de designs absurdos”, escreve Zhao no jornal. “Se vocêpuder conectar as partes de maneiras arbitra¡rias, acabara¡ em uma confusão”, diz ele. Para evitar isso, sua equipe desenvolveu uma “grama¡tica de grafos” - um conjunto de restrições sobre a disposição dos componentes de um roba´. Por exemplo, segmentos de perna adjacentes devem ser conectados com uma junta, não com outro segmento de perna. Essas regras garantem que cada projeto gerado por computador funcione, pelo menos em umnívelrudimentar.

Zhao diz que as regras de sua grama¡tica gra¡fica foram inspiradas não por outros robôs, mas por animais - artra³podes em particular. Esses invertebrados incluem insetos, aranhas e lagostas. Como grupo, os artra³podes são uma história de sucesso evolutivo, representando mais de 80% das espanãcies animais conhecidas. “Eles se caracterizam por ter um corpo central com número varia¡vel de segmentos. Alguns segmentos podem ter pernas conectadas ”, diz Zhao. “E percebemos que isso éo suficiente para descrever não apenas artra³podes, mas também formas mais familiares”, incluindo quadraºpedes. Zhao adotou as regras inspiradas em artra³podes graças em parte a essa flexibilidade, embora ele tenha adicionado alguns floreios meca¢nicos. Por exemplo, ele permitiu que o computador conjurasse rodas em vez de pernas.

Usando a grama¡tica de grafos de Zhao, o RoboGrammar opera em três etapas sequenciais: definir o problema, desenhar possa­veis soluções roba³ticas e, em seguida, selecionar as melhores. A definição do problema cabe principalmente ao usua¡rio humano, que insere o conjunto de componentes robóticos dispona­veis, como motores, pernas e segmentos de conexa£o. “Essa éa chave para garantir que os robôs finais possam realmente ser construa­dos no mundo real”, diz Zhao. O usua¡rio também especifica a variedade de terreno a ser percorrido, que pode incluir combinações de elementos como degraus, áreas planas ousuperfÍcies escorregadias.

Com essas entradas, o RoboGrammar usa as regras da grama¡tica do gra¡fico para projetar centenas de milhares de estruturas de robôs em potencial. Alguns se parecem vagamente com um carro de corrida. Outros parecem uma aranha ou uma pessoa fazendo flexaµes. “Foi muito inspirador para nosver a variedade de designs”, disse Zhao. “Isso definitivamente mostra a expressividade da grama¡tica.” Mas, embora a grama¡tica possa gerar quantidade, seus designs nem sempre são de a³tima qualidade.

A escolha do melhor design de roba´ requer o controle dos movimentos de cada roba´ e a avaliação de sua função. “Atéagora, esses robôs são apenas estruturas”, diz Zhao. O controlador éo conjunto de instruções que da¡ vida a essas estruturas, governando a sequaªncia de movimento dos vários motores do roba´. A equipe desenvolveu um controlador para cada roba´ com um algoritmo chamado Model Predictive Control, que prioriza o movimento rápido para frente.

“A forma e o controlador do roba´ estãoprofundamente interligados”, diz Zhao, “épor isso que temos que otimizar um controlador para cada roba´ individualmente”. Uma vez que cada roba´ simulado estãolivre para se mover, os pesquisadores procuram robôs de alto desempenho com uma "pesquisa heura­stica de gra¡fico". Esse algoritmo de rede neural faz a amostragem e avaliação iterativa de conjuntos de robôs e aprende quais projetos tendem a funcionar melhor para uma determinada tarefa. “A função heura­stica melhora com o tempo”, diz Zhao, “e a pesquisa converge para o roba´ ideal”.

Tudo isso acontece antes que o designer humano pegue um parafuso.

“Este trabalho éo coroamento de uma jornada de 25 anos para projetar automaticamente a morfologia e o controle dos robôs”, disse Hod Lipson, engenheiro meca¢nico e cientista da computação da Universidade de Columbia, que não esteve envolvido no projeto. “A ideia de usar grama¡ticas de forma já existe hálgum tempo, mas em nenhum lugar ela foi executada tão bem como neste trabalho. Assim que conseguirmos que as ma¡quinas projetem, fazm e programem robôs automaticamente, todas as apostas estãoencerradas. ”

Zhao pretende que o sistema seja uma centelha para a criatividade humana. Ele descreve o RoboGrammar como uma “ferramenta para projetistas de robôs para expandir o espaço das estruturas de robôs nas quais eles se baseiam”. Para mostrar sua viabilidade, sua equipe planeja construir e testar alguns dos robôs ideais do RoboGrammar no mundo real. Zhao acrescenta que o sistema pode ser adaptado para perseguir objetivos robóticos além da travessia de terreno. E ele diz que RoboGrammar pode ajudar a povoar mundos virtuais. “Digamos que em um videogame vocêqueira gerar muitos tipos de robôs, sem que um artista tenha que criar cada um”, diz Zhao. “RoboGrammar funcionaria para isso quase imediatamente.”

Um resultado surpreendente do projeto? “A maioria dos projetos acabou tendo quatro patas no final”, diz Zhao. Talvez os projetistas de robôs manuais estivessem certos em gravitar em torno dos quadraºpedes o tempo todo. “Talvez realmente haja algo nisso.”