أسراب الروبوتات، والتطور، والتكافل
(١) أسراب الروبوتات
عندما نستخدم مجموعة من الروبوتات المتعددة لتعمل معًا لإنجاز مهمة ما بدلًا من روبوت واحد، فإنَّ هذا يُسمى بمجال أنظمة الروبوتات المتعددة. وعلى الرغم من أن فكرة أنظمة الروبوتات المتعددة ليست جديدة، لم تصبح الأنظمة التجارية متاحة إلا في السنوات الأخيرة. وخير مثال على ذلك هو نظام روبوتات المخازن «كيفا»، الذي وصفته الشركة بأنه «نظام استيفاء الطلبات ونقل البضائع إلى الإنسان».
تتسم روبوتات كيفا بالقوة، وهي تتنقل بعجلات، وتعمل بالبطاريات، ويبلغ عرضها ٦٠ سنتيمترًا، وطولها ٧٦ سنتيمترًا، وارتفاعها ٣٠ سنتيمترًا. ويوجد على السطح العلوي لكل روبوت من طراز كيفا، الذي يتميز باللون البرتقالي، لوحة رفع معدنية؛ حيث يمركز الروبوت نفسه أسفل وحدات أرفف التخزين التي يصل ارتفاعها إلى طول الإنسان، ثم يرفع وحدة التخزين فعليًّا بضعة سنتيمترات عن الأرض. إن حركة الرفع مثيرة للاهتمام. ذلك أنَّ آلية الرفع تستخدم محركًا لولبيًّا، يقوم بتدوير لوحة الرفع (تخيل حركة فك مسمار برغي)، وفي أثناء حدوث ذلك يدور الروبوت في الاتجاه المعاكس بالسرعة نفسها. وهذا يؤدي إلى الحفاظ على وحدة التخزين في وضع مستقيم وثابت خلال رفعها.
تتنقل روبوتات كيفا الفردية في جميع أنحاء المخزن باستخدام نظام شبكة الرموز الشريطية الثنائية الأبعاد الموجود على الأرض، وتُصمَّم حركة أسطول الروبوتات المتعددة بالكامل عن طريق كمبيوتر مركزي يتتبع مكان الروبوتات، ومكان المخزون، والمكان الذي يجب أن يُنقل إليه. تقوم الروبوتات، بصورة جماعية، بنقل العناصر المختلفة من المخزن إلى الإنسان، الذي يأخذها من وحدات الرفوف ويجهز الطلب الكامل. بعد ذلك، تُعاد وحدات الرفوف إلى المخزن. ومن المثير للاهتمام أنه بمرور الوقت، يحسن النظام موضع وحدات الرفوف في المخزن، بحيث تصبح العناصر الأكثر شيوعًا قريبة من محطة التعبئة، مما يقلل من تكاليف الطاقة والوقت. إنه نظام مبتكَر يمثل أحدث ما توصَّلت إليه أنظمة الروبوتات المتعددة الواقعية.
يُعَد نظام روبوتات كيفا مثالًا على أنظمة الروبوتات المتعددة التي تتميز بالتحكم والتنسيق المركزيَّين. إنَّ أسراب الروبوتات تقدم نهجًا بديلًا يستغني عن التحكم المركزي. وبدلًا من ذلك، يتسم التحكم باللامركزية ويُوزع بين الروبوتات نفسها. ويُجسِّد هذا النهج المبادئ التي يقوم عليها ذكاء الأسراب.
(١-١) ذكاء الأسراب
فكِّرْ في تل النمل الأبيض. إنه بناء مُذهِل، وليس ذلك لحجمه مقارنةً بالكائنات الصغيرة الكفيفة التي بَنته فحسب، وإنما لمدى تعقيد هندسته المعمارية أيضًا، إضافةً إلى التحكم في درجة الحرارة والرطوبة، ووجود حدائق الفطريات، وغرف الحضانات. ما يُحيِّرنا هو كيف أنَّ حيوانات تبدو على المستوى الفردي غير قادرة على الإطلاق، وغير ذكية (نسبيًّا)، تستطيع التنسيق وتنظيم نفسها لبناء مثل هذا البناء الرائع وصيانته وإصلاحه. نحن البشر سنحتاج إلى مهندس معماري لتصميم البناء، ثم تسلسل هرمي من المخططين، والمهندسين المدنيين، وكبار العمال، والعمال، مع توجيه تعليمات لكلٍّ منهم بتنفيذ مهمة معينة في البناء الكلي، منسَّقة بعناية في المكان المناسب وفي الوقت المناسب.
غير أننا نعلم أنَّ النمل الأبيض ليس لديه مثل هذا التسلسل الهرمي. فلا يوجد نمل أبيض «مفكر» يوجه تعليمات لكل عامل بالمهمة التي يجب أن يؤديها. وبدلًا من ذلك، تمتلك كل نملة بيضاء مخزونًا من السلوكيات الغريزية البسيطة، يُحفز كلٌّ منها إثر حالة معينة؛ ربما تكون نتاج مادة كيميائية (مثل الفيرمون)، أو التفاعل مع نمل أبيض آخر، أو الاتصال الجسدي مع جزء من العش. ما من نملة بمفردها تمتلك خطة لكيفية بناء العش، فلا يمكنها بناء عش بمفردها مهما اجتهدت في ذلك. لكن بشكل جماعي، تحقق الآلاف من النمل الأبيض هذا الإنجاز الرائع للهندسة المدنية.
يُقال إن بناء تل النمل الأبيض وصيانته هي خاصية منبثقة من عدد كبير جدًّا من التفاعلات الدقيقة للنمل الأبيض بعضه مع بعض ومع بيئته المادية. ويُطلَق على نوع الذكاء الجماعي المنظم ذاتيًّا الذي يُظهره النمل الأبيض والحشرات الاجتماعية عمومًا اسم «ذكاء الأسراب»، وتُسمى أنظمة الروبوتات المتعددة القائمة على المبادئ ذاتها أنظمة أسراب الروبوتات.
تتمثل الخصائص المميزة لأنظمة أسراب الروبوتات فيما يأتي: أولًا الاستشعار المحلي؛ بمعنى أنَّ كل روبوت لا يستشعر إلا بيئته المحلية؛ ثانيًا الاتصالات المحلية، حيث يتواصل كل روبوت محليًّا فقط مع أقرب جيرانه؛ وثالثًا الاستقلالية، حيث يُقرِّر كل روبوت بنفسه الإجراء الذي يجب اتخاذه بالاعتماد على الاستشعار والاتصالات المحلية فقط.
غالبًا ما تكون الروبوتات الموجودة في سِربٍ ما متشابهة، والأهم من ذلك أنها تعمل ببرنامج التحكم ذاته. معنى هذا أنها تتمتع بمجموعة متطابقة من السلوكيات المدمجة. وبناءً على هذا، ففي نظام سرب الروبوتات، لا يوجد تسلسل هرمي، ولا قائد محدد سلفًا (على الرغم من احتمالية ظهور أحدهم، ربما مؤقتًا)، ويُوزع التحكم بالكامل بين روبوتات السرب.
في علم الروبوتات، تتمتع أنظمة الأسراب بسحر خاص. فهي، من وجهة نظر علمية، مثيرة للاهتمام بوصفها نماذج عملية لذكاء الأسراب، وليس من المستغرَب أن يعمل بعض علماء الأحياء مع علماء الروبوتات لمحاولة اكتشاف كيفية عمل «مجتمعات» الحشرات؛ ويُعد التقسيم التكيفي للعمل في أثناء بحث مستعمرات النمل عن الطعام من الأمثلة الجيدة لمشكلة خضعت للدراسة باستخدام الروبوتات. وهنا يظهر السؤال الآتي: عند وجود كمية معيَّنة من «الطعام» في البيئة، كيف يوازن السرب تلقائيًّا بين عدد الروبوتات التي تجمع الطعام وبين عدد الروبوتات التي تبقى في العش للحفاظ على الطاقة، من أجل تحسين طاقة السرب الإجمالية؟ (إذا كان الطعام قليلًا وخرجت جميع الروبوتات للبحث عنه — وهو نشاط يستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة — فستنفد طاقة السرب؛ من ناحية أخرى، إذا بقيت جميع الروبوتات في العش لتوفير الطاقة، فستتضوَّر المستعمرة جوعًا في نهاية الأمر.) ليس من السهل حل هذه المشكلة عندما لا تكون الروبوتات الفردية على دراية شاملة بكمية الطعام المتاحة التي يمكن جمعها، أو إجمالي مستوى طاقة السرب.
ليست هذه بالمرة الأولى في علم الروبوتات التي تتداخل فيها الهندسة وعلم الأحياء بقوة في ذكاء الأسراب. ولكن من وجهة نظر هندسية، يُعتبر سرب الروبوتات أيضًا أمرًا جذابًا للغاية. وأحد أسباب هذا هو القوة. فلسِرب الروبوتات قدرةٌ عالية على تحمُّل حدوث الأعطال. وإذا حدث عطل في بعض الروبوتات في السرب، فستُكمِل الروبوتات المتبقية المهمة بصفة مبدئية. قد يستغرق الأمر وقتًا أطول، لكن المهمة ستُنجَز في النهاية. ومن الأسباب الأخرى لقوة السرب، عدم وجود كمبيوتر تحكم مركزي، أو شبكة اتصال مع الروبوتات، يمكن حدوث عطل بهما. ويُعتبر نهج السرب جذابًا أيضًا بسبب قابليته للتوسع. تخيل سربًا من الروبوتات يقوم بعملية تنظيف. إذا أردت إنجاز المهمة في وقت أقل، فما عليك من حيث المبدأ سوى إضافة المزيد من الروبوتات. (لن ينجح هذا إلا في حالة وجود مساحة كافية لتعمل بها الروبوتات؛ أما إذا بدأت في اعتراض طريق بعضها بعضًا، فستضيع ميزة إضافة المزيد من الروبوتات.)
(١-٢) التطبيقات الواقعية المحتملة
تُخصَّص العديد من تطبيقات الروبوتات الواقعية للمهام الموزَّعة مكانيًّا. منها على سبيل المثال، الاستكشافات الروبوتية ومسح الأراضي والمراقبة البيئية والبحث والإنقاذ؛ كل ذلك يتطلب روبوتات لتغطية مساحة فعلية كبيرة، ولا شك أن توزيع عدد من الروبوتات على تلك المساحة يمكن أن يؤدي إلى تغطية المنطقة في وقت أقل بكثير مما يستغرقه روبوت واحد. وينطبق الشيء ذاته على الروبوتات الزراعية أو البستانية، وعلى روبوتات التنظيف الصناعي أو روبوتات جمع النفايات. ضع في اعتبارك أيضًا الروبوتات الطبية الدقيقة المستقبلية التي يمكن حقنها في مجرى الدم؛ من المرجَّح أن تتطلب هذه المهمة العديد، وربما الآلاف، من الروبوتات المجهرية. وكل هذا من التطبيقات المحتملة لأنظمة أسراب الروبوتات.
يوجد في حقيقة الأمر تشبيهٌ مفيد جدًّا لجميع هذه التطبيقات المحتملة للروبوتات الجماعية، وهو التنقل بحثًا عن الطعام. فنحن نفكر في عملية التنقل بحثًا عن الطعام على أنها عملية لجمع الطعام فحسب، لكن يمكننا تعميم الفكرة لتشمل البحث عن أي شيء، وجمعه، وإعادته، بما في ذلك المعلومات. لذلك أصبح التنقل بحثًا عن الطعام مسألة معيارية في أسراب الروبوتات، ويمكن تطبيق خوارزميات البحث عن الطعام على أيٍّ من التطبيقات الواقعية المذكورة أعلاه، مع إدخال التعديلات المناسبة لتلائم المهمة الفعلية.
(١-٣) دراسة حالة: سوارم-بوت
قدَّم مشروع سوارم-بوت، بقيادة عالم الروبوتات ماركو دوريجو، عرضًا مختبريًّا رائعًا لأسراب الروبوتات في سيناريو للبحث والإنقاذ. فقد كانت الروبوتات الفردية، المسماة إس-بوتس، تبحث عن ناجين. وبعد ذلك يعثر واحد أو اثنان من الروبوتات إس-بوتس على طفلة. تتميز الروبوتات إس-بوتس بأنها مزوَّدة بقابض للإمساك بملابس الطفلة، ولكنها لا تستطيع جر الطفلة إلى بر الأمان؛ لأن الروبوتات في حد ذاتها صغيرة جدًّا وخفيفة الوزن، حيث يبلغ قُطرها حوالَي ١٢ سنتيمترًا، ووزنها ٦٦٠ جرامًا. ولذلك ترسل الروبوتات إس-بوتس التي عثرت على الطفلة وأمسكت بملابسها الإشارات للروبوتات الأخرى للانضمام إليها. وسرعان ما تصل الروبوتات إس-بوتس الأخرى من السرب إلى الطفلة، لكن حينها تظهر مشكلة أخرى. فنظرًا لحجم الطفلة والروبوتات إس-بوتس، لا يسمح المجال إلا بوجود أربعة روبوتات فقط لتتمكن من الإمساك بملابس الطفلة بقوابضها. وحتى أربعة روبوتات من نوع إس-بوتس ليست قوية بما يكفي لتتمكن من سحب الطفلة؛ لذلك تستخدم الروبوتات الحرة المتبقية قوابضها للإمساك بالروبوتات التي تمسك الطفلة بالفعل، وسرعان ما تنظم نفسها في أربع سلاسل من الروبوتات. وبعد فترة من الوقت، تصبح كل سلسلة طويلة بما يكفي للحصول على قوة جر كافية، وتُجَر الطفلة فعليًّا إلى بر الأمان. يُعرَف سرب الروبوتات إس-بوتس بشكل جماعي باسم سوارم-بوت.
يوضح سوارم-بوت الذي يجذب الطفلة عددًا من الخصائص المهمة لأنظمة أسراب الروبوتات. الخاصية الأولى أنَّ هذه الأنظمة تحتاج عادةً إلى أكثر من روبوت فردي لإكمال المهمة. فقد استلزم العرض التوضيحي الذي أشرت إليه ثمانية عشر روبوتًا من نوع إس-بوت. وإذا كان الحد الأدنى المطلوب هو ثمانية عشر روبوتًا، فإن حدوث عطل في روبوت واحد من شأنه أن يضر بالمهمة. ولهذا فعادةً ما تستخدم أنظمة أسراب الروبوتات ما يزيد عن الحد الأدنى لعدد الروبوتات لتوفير بديل في حالة حدوث عطل في بعض الروبوتات. ولا تمثل هذه الزيادة أي مشكلة. إنها ميزة في واقع الأمر. على سبيل المثال، إذا كان مثال جذب الطفلة يحتوي على ٢٤ روبوتًا بدلًا من ثمانية عشر روبوتًا، فستتمكن الروبوتات بشكل جماعي من البحث بشكل أسرع وإنقاذ الطفلة في وقت أقل، بينما تظل قادرة على تحمل حدوث عطل فيما يصل إلى ستة روبوتات. فمن الصعب للغاية تصميم روبوت واحد قادر على تحمل حدوث أعطال فيما يعادل ٢٥ بالمائة من أنظمته الفرعية.
الخاصية الثانية أنَّ الروبوتات في السرب بحاجة إلى أن تكون قادرة على التعاون وتنسيق أفعالها والعمل كفريق واحد. وفي هذا المثال، يجب أن تتواصل الروبوتات معًا حتى تتمكن من الاتفاق على العدد الذي سيكفي عند الوصول إليه لأن تكون قادرة على سحب الطفلة، ثم التحرك في وقت واحد حتى تبدأ جميعها في السحب في الوقت ذاته وفي الاتجاه ذاته.
يوضح هذا المثال ميزةً أخرى لأنظمة أسراب الروبوتات، وهي أن الروبوتات الفردية في النظام عادةً ما تكون أصغر (وربما أبسط) مما سيكون عليه روبوت واحد مخصص لإنجاز المهمة ذاتها. تخيلْ مدى ضخامة حجم روبوت واحد لإنقاذ طفل. عادةً ما يكون كلٌّ من الروبوتات الأصغر والأبسط أكثر موثوقيةً من الروبوت الفردي المكافئ لإنجاز المهمة ذاتها.
(١-٤) دراسة حالة: سوارمنويد
تُعَد دراسة حالة سوارم-بوت المذكورة سابقًا مثالًا على النظام المتجانس؛ لأن روبوتات (إس-بوتس) الفردية كلها متطابقة. بالرغم من ذلك، فليس من الضروري أن تكون الروبوتات الموجودة في السرب متطابقة. ففي النظام المتباين، سنجد عدة أنواع مختلفة من الروبوتات، لكلٍّ منها تخصص وظيفي مختلف. وهذا يعطي النظام ككلٍّ مزيدًا من المرونة للقيام بمجموعة أكبر من المهام، مع الحفاظ على متانة السرب، إضافةً إلى بساطة الروبوتات الفردية نسبيًّا؛ ومن ثَم موثوقيتها.
أما الروبوت الثالث، آي-بوت، فهو روبوت طائر رباعي المراوح. ولهذا، يمكن لآي-بوت أن يتحرك في مساحة ثلاثية الأبعاد، وتتمثل وظيفته في توفير «رؤية فوقية» للنظام ككلٍّ؛ ومن ثَم السماح لروبوتات فوت-بوت وهاند-بوت بتنسيق أفعالها والعمل كفريق واحد. وعلى غرار هاند-بوت، يحتوي آي-بوت أيضًا على جهاز للتعلق بالسقف؛ مما يعني أنه يستطيع «الوقوف» على السقف لتوفير وضع ثابت مستقر للكاميرا، مع الحفاظ على طاقة البطارية. وفيما كان على الأرجح أول عرض في العالم لتعاون نظام من أسراب الروبوتات المتباينة لتحقيق مهمة معقَّدة ثلاثية الأبعاد، نسَّق آي-بوت العمل بين مجموعة من روبوتات فوت-بوت وهاند-بوت لتحديد موقع كتاب وإحضاره من رف كتب مرتفع.
لقد سلطت الضوء حتى الآن على مزايا أنظمة أسراب الروبوتات، ولكن ما الجوانب السلبية؟ يتمثل الجانب الأول في شدة صعوبة تصميمها، وإن كان ذلك ليس جانبًا سلبيًّا إلى حد كبير، بل نتيجة بسيطة للطبيعة المعقدة الواضحة لأنظمة الروبوتات الجماعية. وحتى لو كان نظام الروبوتات الجماعية يحتوي على نوع واحد فقط من الروبوتات، كما هو الحال في مثال سوارم-بوت الذي يجذب الطفلة، فإن تصميم الأنظمة التي تُنسِّق الروبوتات لكي تُنفِّذ المهام المطلوبة منها يُمثِّل صعوبةً خاصة (ومن ثَم أهمية خاصة).
يَكمُن الجانب السلبي الآخر في مشكلة كيفية تحكم البشر في السرب ومراقبتهم له. فصحيح أنَّ أنظمة أسراب الروبوتات عادةً ما تُصمَّم بمستوًى عالٍ من الاستقلالية، لكن حتى أنظمة الروبوتات العالية الاستقلالية تحتاج إلى وسيط بشري. وعلى أقل تقدير، سيسمح هذا للمشغلين البشر بالتحكم في السرب لتحقيق بعض الأهداف العالية المستوى ومراقبة تقدمه، مع إمكانية الاختيار بين تغيير أهداف المهمة أو إلغائها تمامًا إذا حدث خطأ ما.
(٢) الروبوتات التطورية
تُعَد الروبوتات التطورية واحدة من أروع التطورات في أبحاث الروبوتات في العشرين عامًا الماضية. ذلك أنها طريقة جديدة تمامًا لتصميم الروبوتات. تتمثل هذه الطريقة في استخدام عملية آلية تعتمد على الانتخاب الاصطناعي الدارويني لتصميم روبوتات جديدة. وبطبيعة الحال، فإن الاستيلاد الانتقائي، كما يُمارَس في الزراعة على يد البشر لإنتاج أنواع محسنة جديدة من المحاصيل أو حيوانات المزرعة، أمرٌ مستحيل بالنسبة للروبوتات الحقيقية، في الوقت الحالي على الأقل. وبدلًا من ذلك، تستخدم الروبوتات التطورية نسخة مجرَّدة من الانتخاب الاصطناعي حيث تحدث معظم العملية داخل كمبيوتر. ويُطلَق على هذه العملية المجردة اسم الخوارزمية الجينية.
تعمل عملية الروبوتات التطورية على النحو الآتي. في البداية، نُمثِّل الروبوت الذي نريد تطويره بجينوم اصطناعي. وعلى غرار الحمض النووي، يحتوي الجينوم الاصطناعي على سلسلة من الرموز، لكنه يختلف عن الحمض النووي في أنَّ كل رمز منه يُمثِّل (أو «يُشفِّر») جزءًا من الروبوت مباشرةً. ففي الروبوتات التطورية نادرًا ما نطور كل جزء من أجزاء الروبوت.
توجد بالطبع العديد من الأبعاد الأخرى للروبوت التي يمكننا أيضًا تشفيرها في الجينوم الاصطناعي. يمكننا على سبيل المثال، أن نشفر في الجينوم حجم جذع الروبوت، أو مواضع المفاصل بين الجذع والأرجل، أو عدد الأجزاء في كل رجل، وما إلى ذلك. ومن الناحية النظرية، يمكننا تشفير كل مكونات الروبوت في الجينوم، لكن هذا سيؤدي إلى إبطاء عملية التطور الاصطناعي، وسيقلل أيضًا من احتمالية تطويرنا لروبوت «جيد». ولهذا، ما نفعله عمليًّا أننا نُصمِّم بعض مكونات الروبوت ونُصلحها يدويًّا، ونُحدِّد الأجزاء التي نريد تطويرها؛ ومن ثَم نُشفِّر تلك الأجزاء فحسب في الجينوم الاصطناعي.
بعد تحديد بنية الجينوم الاصطناعي، نُنشئ في برنامج كمبيوتر مجموعةً من الجينومات. ليس من الضروري أن يكون عدد الجينومات كبيرًا؛ فيكفي أن يتراوح العدد من عشرة إلى مائة للحفاظ على درجة من التنوع الجيني. وبصورة عامة، تُهيَّأ الجينومات في المجموعة الأولية عشوائيًّا. وبالنسبة إلى الروبوت الخيالي السائر على أربع أرجل، فإن هذا يعني أن المجموعة الأولية ستتألف من روبوتات بأحجام أرجل غير متطابقة، وكثير منها لن ينجح في السير.
(٢-١) تطور أجسام الروبوتات
على عكس الروبوت الخيالي السائر على أربع أرجل، أتاح ليبسون وبولاك للعملية التطورية قدرًا أكبر من الحرية لتطور شكل جسم الروبوت. فلم يُقرِّرا سوى أن الروبوتات ستُصنَع من عدد من الأجزاء، بعضها له طول ثابت، وبعضها الآخر قادر على التقلص أو التمدد بتداخل الأجزاء بعضها داخل بعض. وتتقلص هذه الأجزاء المتحركة، وتتمدد بمعدل ثابت، وتعمل كشكل من أشكال عضلات الروبوت التي تُثنى وتُفرد باستمرار. وكانت العملية التطورية حرة في تغيير عدد الأجزاء وطولها وأماكن توصيلها والزوايا التي تتخذها عند الاتصال. واستند تقييم اللياقة ببساطة إلى المسافة التي يمكن أن تقطعها الروبوتات (إذا تحركت على الإطلاق) من موضع البداية في وقت محدَّد. وقد وقع الاختيار على الروبوتات التي انتقلت إلى أبعد نقطة، وأصبحت هي آباء الجيل القادم.
نجح مشروع جولم في تطوير عدد من الروبوتات التي لديها القدرة على التحرك بمفردها على السطح. وتتمتع جميعها بأشكال أجسام غريبة ومدهشة في بعض الأحيان، حتى يكاد يكون من المؤكَّد أنها ليست تصميمات قد يبتكرها مهندس بشري. وقد اكتشفت الخوارزمية الجينية طرقًا للتحرك مدهشة بالقدر ذاته، استغلت فيها كلًّا من حركة أجزاء «العضلات» والاحتكاك بين أجزاء الجسم الملامسة للأرض، والأرض ذاتها. وتنشأ الحركة من التفاعل المعقَّد نوعًا ما بين أجزاء جسم الروبوت وسطح الأرض، مع مراعاة فيزياء الكتلة والاحتكاك؛ لذلك سيكون من الصعب جدًّا التنبؤ بكيفية تحرك هذه الروبوتات دون تجربتها في العالم الافتراضي.
(٢-٢) تطور عقول الروبوتات
في مشروع جولم، نُفذت العملية التطورية بأكملها في جهاز كمبيوتر، بما في ذلك تقييم لياقة الروبوتات الافتراضية في العالم الافتراضي. وعلى الرغم من نجاح النهج القائم على المحاكاة لتطوير الروبوتات في هذا المشروع، فهو ينطوي على تحديات. تكمن المشكلة الكبرى في أن برنامج المحاكاة المستخدَم لإجراء اختبارات اللياقة يحتاج إلى أن يكون قادرًا على محاكاة خصائص كل جزء من أجزاء الروبوت والعالم التجريبي بدقة. ومثلما أكدت على مدار هذا الكتاب، فنظرًا لأن سلوك الروبوت ينتج عن التفاعلات بين الروبوت وعالمه، يجب محاكاة هذه التفاعلات واقعيًّا (انظر المربع ٣).
في حالة وجود اختلاف بين أي جانب من جوانب الروبوت الافتراضي وساحة الاختبار الخاصة به، وبين الروبوت الحقيقي وساحة الاختبار الحقيقية، فمن غير المرجَّح أن يعمل الروبوت المتطور عند تصميمه واختباره فعليًّا بالجودة نفسها التي عمل بها في المحاكاة. تُعرَف المشكلة في علم الروبوتات التطورية باسم «فجوة الواقع»، وهي مشكلة صعبة لكن حلها غير مستحيل. ونظرًا لأنَّ مزايا النهج القائم على المحاكاة كبيرة بما فيه الكفاية، يُوجَّه قدر كبير من الجهد والإبداع للتغلب على فجوة الواقع.
طوَّر مشروع جولم أجسام الروبوتات، لكنه لم يطور «عقولها»؛ أي إنَّ أنظمة التحكم في الروبوت كانت ثابتة؛ متمثلةً في الثني الدوري المستمر لأجزاء «عضلات» الروبوت. وإذا أردنا تطوير نظام التحكم في الروبوت، فإن مشكلة فجوة الواقع تصبح أكثر حدة، وقد تبنَّى علماء الروبوتات التطوريون نهجًا مختلفًا لمعالجتها.
في تجربة وايبل وفلوريانو وكيلر، تحاكي عشرة روبوتات من نوع «أليس» سلوك البحث عن الطعام من خلال البحث عن الشارات المادية والتقاطها، ثم نقلها إلى منطقة «العش». وقد احتوت الساحة التجريبية على نوعين من الشارات: شارات صغيرة يمكن دفعها عن طريق روبوت واحد، وشارات أكبر حجمًا جدًّا يتعذر على روبوت واحد دفعها بمفرده بسبب ثقل حجمها. واستندت لياقة كل روبوت إلى نجاحه في البحث عن الشارات. وفي إحدى التجارب، احتوت الساحة على شارات كبيرة فقط، ونجحت الروبوتات في تطوير القدرة على دفع هذه الشارات بشكل تعاوني إلى العش.
بالرغم من ذلك، عندما احتوت الساحة على كلا النوعين من الشارات كبيرة وصغيرة، أثَّر «هيكل القرابة» بالمجموعة، أي الارتباط الجيني للروبوتات، على السلوكيات المتطورة. وتطورت مجموعات من الروبوتات غير المرتبطة جينيًّا نحو دفع الشارة الصغيرة لأنها كانت الطريقة الفُضلى لزيادة لياقتها الخاصة. وفي المقابل، طورت الروبوتات المرتبطة جينيًّا سلوكيات إيثارية، وتعاونت لدفع الشارات الكبيرة على حساب لياقتها الفردية. ومن اللافت للنظر أن هذه التجربة يبدو أنها تؤكد قاعدة هاميلتون، حيث تتطور السلوكيات الإيثارية عندما يكون حاصل ضرب الترابط بين الروبوتات الفردية وفوائد اللياقة التي تعود على متلقِّي السلوك الإيثاري أكبر من تكلفة اللياقة لتأدية السلوك.
(٣) الكائنات الروبوتية التطورية التكافلية
تخيل مجموعة من الروبوتات المرسَلة إلى مبنًى منهار للبحث عن ناجين (ربما تكون مزوَّدة بشوارب اصطناعية مثلما رأينا في الفصل الثالث). الروبوتات صغيرة ومتنقلة. ويُعتبر حجمها الصغير ميزة بالطبع؛ لأنه يمكِّنها من الوصول إلى المساحات الصغيرة، ويمكِّن عددًا كبيرًا من الروبوتات المتنقلة الصغيرة من البحث في المبنى بسرعة. لكنه مبنًى منهار؛ مما يعني أنه من المحتمل أن تكون هناك عوائق لا تستطيع هذه الروبوتات تخطيها، بسبب صغر حجمها، ربما فجوات بسبب انهيار جزء من الأرض، أو سقوط عوارض أو خزائن مكتبية، تسد مسار الروبوت ويتعذر على الروبوت تسلقها بسبب ارتفاعها الشديد.
ماذا لو كان الروبوت، عند مواجهة مثل هذه المشكلة، قادرًا على استدعاء روبوتات أخرى قريبة؟ وعندما يتجمع عدد كافٍ من الروبوتات، تتحد جسديًّا معًا لتشكيل روبوت أكبر قادر على تخطي الفجوة أو تسلق العقبة العالية. وعند الوصول إلى الجانب الآخر من العقبة، تتفكك الروبوتات وتتفرق وتواصل بحثها كروبوتات فردية.
بعد ذلك، يعثر روبوت على أحد الناجين، لكن السقف فوق الناجي هش وقد ينهار. فيستدعي الروبوت الروبوتات الأخرى مجددًا وتتجمع ذاتيًّا في هيكل مختلف ثلاثي الأبعاد، وتنشئ هذه المرة صدَفة — ما يشبه ملجأً روبوتيًّا قويًّا — فوق رأس الناجي والجزء العلوي من جسمه. تقوم الروبوتات بذلك وتوفر في الوقت ذاته الإسعافات الأولية للناجي، إضافةً إلى التواصل الصوتي والمرئي الضروري بين الناجي وعمال الإنقاذ خارج المبنى، وكذلك بيانات الموقع. وبهذا، يوفر سرب الروبوتات الدعم والمساعدة الماديين للناجي حتى يتمكن عمال الإنقاذ من إخراجه بأمان من المبنى.
قد يبدو هذا السيناريو كشيء من الخيال العلمي، لكنه ليس بعيد المنال. يوجد مشروع بالفعل يُسمى «سيمبراين» يطور تقنيات علم الروبوتات الأساسية اللازمة لتحقيق هذه الرؤية. ويجمع سيمبراين بين أفكار من أسراب الروبوتات المتباينة، والروبوتات التركيبية أو الذاتية التجمع، والروبوتات التطورية، والعناصر القوية للتصميم والإلهام الأحيائي.
يهدف مشروع سيمبراين إلى إنشاء سرب من الروبوتات المتباينة تتمتع بقدرات عالية على المستوى الفردي (من حيث الاستشعار والتواصل)، وتتنقل بشكل مستقل، وقادرة عند الضرورة على التجمع ذاتيًّا بشكل مستقل وتكوين «كائنات» ثلاثية الأبعاد. يعتمد الشكل والهيكل المحدَّدان الذي سيتخذه كائن السيمبراين على طبيعة المهمة الملقاة على عاتق روبوتات السيمبراين، وسيكون من المستحيل بالطبع التنبؤ بجميع الأشكال الممكنة التي يمكن الاحتياج إليها؛ لذا فالفكرة الأساسية أن السيمبراين سيكون قادرًا على التكيف مع هياكل جسدية جديدة، أو التطور إليها فعليًّا في حقيقة الأمر. والأهم من ذلك أن عملية التجمع الذاتي يمكن عكسها؛ فعندما لا تكون هناك حاجة إلى الكائن، سيتفكك بشكل مستقل إلى الروبوتات الفردية المكونة له. وبهذا، فإن الروبوتات الفردية تتناوب بين وضع السرب، حيث تعمل بشكل أساسي في وضع ثنائي الأبعاد، ووضع الكائن.
أنشأ فريق مشروع سيمبراين، بقيادة بول ليفي وسيرج كيرنباخ، ثلاثة أنواع من الروبوتات الأساسية، المصمَّمة للتعاون (بشكل تكافلي). هذه الأنواع الثلاثة هي: روبوت «باكبون» وروبوت «أكتيف وييل» وروبوت «سكاوت». كلٌّ من هذه الروبوتات قادر على التنقل المستقل، وله أيضًا مفصل رزي يعمل بالطاقة. ويختلف كل روبوت في طريقة التنقل والتكوين الجسدي؛ ومن ثَم تتنوع القدرات ونقاط القوة.
تشترك الروبوتات الثلاثة في واجهة إرساء واحدة، مزوَّدة بمنافذ إرساء على عدة أوجه؛ مما يمكِّن كل روبوت من أن يلتحم فعليًّا مع روبوتين آخرين على الأقل. وتوفر واجهة الإرساء آلية قفل قوية ميكانيكيًّا تعمل بمحرك، إضافةً إلى وصلات كهربائية توفر ناقلًا للطاقة، إلى جانب اتصالات الشبكات السلكية بين الروبوتات الملتحمة.
من وجهة نظر بيولوجية، من المفيد والمناسب نوعًا ما أن نتخيل روبوتات السيمبراين الفردية بوصفها خلايا مفردة و«كائن» السيمبراين بوصفه كائنًا متعدد الخلايا. فنحن لدينا ثلاثة «أنواع» من الخلايا في كائن واحد، لكنها قادرة على التعاون بشكل تكافلي، ومشاركة موارد الطاقة على سبيل المثال، أو الاستفادة من القدرة الحركية المتزايدة بشكل كبير للكائن المتعدد الخلايا ككلٍّ.
إنَّ دور روبوت السيمبراين الفردي، أو الخلية، داخل الكائن يعتمد بدرجة كبيرة بالطبع على موقعه المادي داخل ذلك الكائن، ومن الواضح أن خلايا الكائن الروبوتية تحتاج إلى تنسيق أفعالها حتى يتمكن الكائن من السير أو التسلق أو سد الفجوات، على سبيل المثال. لذلك يتمتع الكائن بالفعل بالقدرة على القيام بعملية مشابهة لتمايز الخلايا: عندما يتجمع كائن السيمبراين ذاتيًّا، ستحتاج الخلايا الروبوتية الفردية إلى اعتماد وظيفة متخصصة وفقًا لموقعها؛ وعندما تتفكك ذاتيًّا، فإن الخلايا الروبوتية الفردية ستعود نوعًا ما لتصبح روبوتات غير متمايزة تشبه «الخلايا الجذعية».
قد تجد بعض الخلايا الروبوتية نفسها، على سبيل المثال، في هيئة عناصر هيكلية صلبة، لا يُطلب منها التحرك أو العمل خلال وجودها في الكائن، حيث تؤدي دور الخلايا العظمية. وقد تجد الخلايا الروبوتية الأخرى نفسها تعمل كخلايا «ركبة»، فتنحني، عند الحاجة، لتشكيل حركات رجل الكائن في أثناء السير. وتمتد التشبيهات الحيوية إلى أبعد من ذلك. فنظرًا لأن بعض الخلايا الروبوتية في الكائن الحي سيكون لها متطلبات طاقة أكبر من غيرها — على سبيل المثال، تتطلب خلايا الركبة طاقةً أكبر من الخلايا العظمية — فلن يوفر ناقل الطاقة في كائن السيمبراين مشاركة الطاقة فحسب، بل سيحافظ على استتبابها أيضًا، لتوفير التوازن المناسب للطاقة في جميع أجزاء الكائن.
علاوةً على ذلك، نحن بحاجة إلى قبول أن الخلايا الروبوتية الفردية ستواجه أعطالًا. حتى مع وجود روبوتات وكائنات مصمَّمة جيدًا باستخدام أعداد صغيرة من الخلايا الروبوتية (أي أقل من عشرين)، فإن التعقيد الكلي للكائن يعني أنَّ الأعطال ستكون حتمية. لذلك، ستحتاج كائنات السيمبراين إلى نظام مناعة اصطناعي قادر على اكتشاف أي عطل في الخلية الروبوتية الفردية والتعويض عنه بطريقة ما.
المربع ٣: أنظمة محاكاة الروبوتات
في أبحاث علم الروبوتات، أصبح نظام المحاكاة أداة أساسية في عمل علماء الروبوتات. والسبب في ذلك أن تصميم الإصدارات المتتالية من الروبوتات الحقيقية وصنعها واختبارها أمرٌ مكلف ويستغرق وقتًا طويلًا، وإذا كان من الممكن تنفيذ جزء من هذا العمل في العالم الافتراضي بدلًا من العالم الحقيقي، فيمكن تقليص أوقات التطوير، وربما تتحسن أيضًا فرص الحصول على روبوت يعمل من أول مرة بشكل كبير.
يتضمن نظام محاكاة الروبوت ثلاث خصائص أساسية. أولًا: يجب أن يوفر عالمًا افتراضيًّا. ثانيًا: يجب أن يوفر وسيلة لإنشاء نموذج افتراضي للروبوت الحقيقي. وثالثًا: يجب أن يسمح بتركيب وحدة التحكم في الروبوت و«تشغيلها» على الروبوت الافتراضي في العالم الافتراضي، وبعد ذلك تحدد وحدة التحكم كيفية تصرف الروبوت عند تشغيله في نظام المحاكاة. ويجب أن يوفر نظام المحاكاة أيضًا تصورًا للعالم الافتراضي والروبوتات الافتراضية فيه حتى يتمكن المصمم من فهم ما يحدث.
يجب أن يكون أول هذه المتطلبات، وهو العالم الافتراضي، قابلًا للتخصيص. ويجب أن يسمح للروبوت المُطوَّر أن يكون قادرًا على إنشاء نسخة مطابقة من بيئة التشغيل الحقيقية للروبوت، وتزويدها بالأجسام التي يتعين على الروبوت استشعارها أو التفاعل معها أو التحكم فيها ماديًّا. والأهم من ذلك أن العالم الافتراضي يحتاج إلى محاكاة فيزياء العالم الحقيقي، بدرجة مقبولة من الدقة، بحيث عندما تتصادم الأجسام الصلبة مثلًا، لا تمرُّ ببساطة بعضها من خلال بعض، بل تتصرف كما يحدث في الواقع. ينبغي محاكاة الجاذبية وقوى الاحتكاك أيضًا، حتى تكون حركات الروبوت الافتراضي عند التسارع أو التباطؤ واقعيةً بالنسبة لنوع العجلات أو الأرجل التي يمتلكها الروبوت والسطح الذي يتحرك عليه.
لتلبية المطلب الثاني، يجب أن يوفر نظام المحاكاة مجموعة من نماذج أجهزة الاستشعار والمشغلات الحقيقية. وإذا كان لدى الروبوت، على سبيل المثال، مستشعرات اقتراب تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فإن المستشعرات الافتراضية يجب أن تتمتع قدر الإمكان بنفس ما تتمتع به نظيراتها الحقيقية من نطاق وحساسية. وبالمثل، يجب أن توفر المحركات الافتراضية في العالم الافتراضي القدر ذاته من الحركة الذي توفره المحركات الحقيقية في العالم الحقيقي عند إعطائها الأوامر ذاتها. ويجب أن تكون الكاميرا الافتراضية في الروبوت الافتراضي قادرة على التقاط الصورة ذاتها التي ستراها الكاميرا الحقيقية عند تثبيتها على الروبوت الحقيقي في الموضع ذاته، وتشير إلى الاتجاه ذاته في العالم الحقيقي. وعلى نحو مماثل، يتعين على المستشعرات الأخرى، مثل مستشعرات اللمس والاقتراب وتحديد المدى بالليزر، إنتاج بيانات الاستشعار ذاتها التي ستنتجها المستشعرات الحقيقية لنفس العوائق الموجودة في نفس المواضع، وينبغي أن تكون مطابقة لما يحدث في العالم الحقيقي. وتُعتبر هذه المتطلبات تحديات صعبة لمطوِّري أنظمة محاكاة الروبوتات.
