Roba´s contempora¢neos podem se mover rapidamente. “Os motores são rápidos e potentes”, diz Sabrina Neuman.

Ainda assim, em situações complexas, como interações com pessoas, os robôs geralmente não se movem rapidamente. “O travamento éo que estãoacontecendo na cabea§a do roba´â€, acrescenta ela.

Perceber esta­mulos e calcular uma resposta exige uma “carga de computação”, o que limita o tempo de reação, diz Neuman, que recentemente se formou com um PhD no Laborata³rio de Ciência da Computação e Inteligaªncia Artificial do MIT (CSAIL). Neuman encontrou uma maneira de lutar contra essa incompatibilidade entre a “mente” e o corpo de um roba´. O manãtodo, chamado de computação roboma³rfica, usa o layout fa­sico de um roba´ e os aplicativos pretendidos para gerar um chip de computador personalizado que minimiza o tempo de resposta do roba´.

O avanço poderia alimentar uma variedade de aplicações de roba³tica, incluindo, potencialmente, atendimento médico de primeira linha para pacientes contagiosos. “Seria fanta¡stico se pudanãssemos ter robôs que ajudassem a reduzir o risco para pacientes e funciona¡rios de hospitais”, diz Neuman.

Neuman apresentara¡ a pesquisa na Conferência Internacional sobre Suporte Arquiteta´nico para Linguagens de Programação e Sistemas Operacionais neste maªs de abril. Os co-autores do MIT incluem o estudante de graduação Thomas Bourgeat e Srini Devadas, o professor de engenharia elanãtrica Edwin Sibley Webster e o conselheiro de doutorado de Neuman. Outros co-autores incluem Brian Plancher, Thierry Tambe e Vijay Janapa Reddi, todos da Harvard University. Neuman éagora um pa³s-doutorado NSF Computing Innovation Fellow na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard.

Existem três etapas principais na operação de um roba´, de acordo com Neuman. O primeiro éa percepção, que inclui a coleta de dados usando sensores ou ca¢meras. A segunda éo mapeamento e a localização: “Com base no que viram, eles tem que construir um mapa do mundo ao seu redor e então se localizar dentro desse mapa”, diz Neuman. A terceira etapa éo planejamento e controle do movimento - em outras palavras, trazr um curso de ação.

Essas etapas podem levar tempo e muito poder de computação. “Para que os robôs sejam implantados em campo e operem com segurança em ambientes dina¢micos ao redor dos humanos, eles precisam ser capazes de pensar e reagir muito rapidamente”, diz Plancher. “Os algoritmos atuais não podem ser executados no hardware da CPU atual com rapidez suficiente.”

Neuman acrescenta que os pesquisadores tem investigado algoritmos melhores, mas ela acha que as melhorias de software por si são não são a resposta. “O que érelativamente novo éa ideia de que vocêtambém pode explorar um hardware melhor.” Isso significa ir além de um chip de processamento de CPU padrãoque compreende o cérebro de um roba´ - com a ajuda da aceleração de hardware.

A aceleração de hardware se refere ao uso de uma unidade de hardware especializada para executar certas tarefas de computação com mais eficiência. Um acelerador de hardware comumente usado éa unidade de processamento gra¡fico (GPU), um chip especializado para processamento paralelo. Esses dispositivos são aºteis para gra¡ficos porque sua estrutura paralela permite processar simultaneamente milhares de pixels. “Uma GPU não éa melhor em tudo, mas éa melhor para o que foi criada”, diz Neuman. “Vocaª obtanãm desempenho superior para um aplicativo especa­fico.” A maioria dos robôs éprojetada com um conjunto especa­fico de aplicativos e, portanto, pode se beneficiar da aceleração de hardware. a‰ por isso que a equipe de Neuman desenvolveu a computação roboma³rfica.

O sistema cria um projeto de hardware personalizado para melhor atender a s necessidades de computação de um roba´ especa­fico. O usua¡rio insere os parametros de um roba´, como o layout de seus membros e como suas várias articulações podem se mover. O sistema de Neuman traduz essas propriedades físicas em matrizes matemáticas. Essas matrizes são “esparsas”, o que significa que contem muitos valores zero que correspondem aproximadamente a movimentos que são impossa­veis devido a  anatomia particular de um roba´. (Da mesma forma, os movimentos do seu braa§o são limitados porque ele são pode dobrar em certas articulações - não éum macarra£o infinitamente flexa­vel.)

O sistema então projeta uma arquitetura de hardware especializada para executar ca¡lculos apenas nos valores diferentes de zero nas matrizes. O design do chip resultante anã, portanto, feito sob medida para maximizar a eficiência para as necessidades de computação do roba´. E essa personalização valeu a pena nos testes.

A arquitetura de hardware projetada usando este manãtodo para um aplicativo especa­fico superou as unidades de CPU e GPU prontas para uso. Embora a equipe de Neuman não tenha fabricado um chip especializado do zero, eles programaram um chip FPGA (field-programmable gate array) personaliza¡vel de acordo com as sugestaµes do sistema. Apesar de operar em um clock mais lento, aquele chip teve desempenho oito vezes mais rápido que o CPU e 86 vezes mais rápido que o GPU.

“Fiquei entusiasmado com os resultados”, disse Neuman. “Mesmo que estivanãssemos prejudicados pela menor velocidade do rela³gio, compensamos isso apenas sendo mais eficientes.”

Plancher vaª amplo potencial para a computação roboma³rfica. “Idealmente, podemos eventualmente fabricar um chip de planejamento de movimento personalizado para cada roba´, permitindo que eles calculem rapidamente movimentos seguros e eficientes”, diz ele. “Eu não ficaria surpreso se daqui a 20 anos todo roba´ tivesse um punhado de chips de computador customizados para alimenta¡-lo, e este poderia ser um deles.” Neuman acrescenta que a computação roboma³rfica pode permitir que os robôs aliviem os seres humanos do risco em uma variedade de configurações, como cuidar de pacientes covid-19 ou manipular objetos pesados.

“Este trabalho éempolgante porque mostra como projetos de circuitos especializados podem ser usados ​​para acelerar um componente central do controle do roba´â€, diz Robin Deits, engenheiro de roba³tica da Boston Dynamics que não esteve envolvido na pesquisa. “O desempenho do software écrucial para a roba³tica porque o mundo real nunca espera que o roba´ termine de pensar.” Ele acrescenta que o avanço de Neuman pode permitir que os robôs pensem mais rápido, “desbloqueando comportamentos excitantes que anteriormente seriam computacionalmente difa­ceis”.

Em seguida, Neuman planeja automatizar todo o sistema de computação roboma³rfica. Os usuários simplesmente arrastam e soltam os parametros do roba´ e “do outro lado vem a descrição do hardware. Acho que éisso que vai ultrapassar o limite e torna¡-lo realmente útil. ”

Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation, a Computing Research Agency, o CIFellows Project e a Defense Advanced Research Projects Agency.