Современные роботы могут двигаться быстро. Однако в сложных ситуациях, например при взаимодействии с людьми, роботы часто замедляются или зависают. Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) создали автоматизированный способ разработки индивидуального оборудования, или «мозгов» для роботов, которые ускоряют их работу.

Восприятие стимулов и вычисление реакции требует «большого количества вычислений», что ограничивает время реакций, объясняет Сабрина Нойман, недавно получившая степень доктора философии в MIT. Нойман нашла способ бороться с этим несоответствием между «разумом» и телом робота. Новый метод роботоморфных вычислений использует физическую схему робота и предполагаемые приложения для создания специализированного компьютерного чипа, который минимизирует время отклика. Новая разработка послужит толчком для множества приложений робототехники, включая, возможно, первую медицинскую помощь заразным пациентам.

«Было бы замечательно, если бы у нас были роботы, которые помогли бы снизить риск для пациентов и работников больниц», — подчеркивает Нойман.

Исследование, описывающее разработку, будет представлено на апрельской Международной конференции по архитектурной поддержке языков программирования и операционных систем.

В работе робота есть три основных этапа. Первый — это восприятие, которое включает сбор данных с помощью датчиков или камер. Второй — это отображение и локализация: на основе того, что роботы увидели, они должны построить карту мира вокруг себя, а затем определить себя на ней. Третий шаг — это планирование и управление движением, другими словами, построение плана действий.

Эти шаги могут потребовать времени и огромных вычислительных мощностей. Чтобы роботы могли быть развернуты в полевых условиях и безопасно работать в динамической среде вокруг людей, они должны быть способны думать и очень быстро реагировать. Доступные сейчас алгоритмы не могут работать на текущем аппаратном обеспечении ЦП достаточно быстро.

Да, сейчас исследователи работают над созданием лучших алгоритмов, однако улучшения программного обеспечения сами по себе не являются ответом, уверена Нойман. Пришло время выйти за рамки стандартного ЦП, который включает мозг робота, с помощью аппаратного ускорения. Аппаратное ускорение относится к использованию специализированного блока для более эффективного выполнения определенных вычислительных задач.

Пример аппаратного ускорителя — графический процессор (GPU), микросхема, предназначенная для параллельной обработки. Эти устройства удобны для работы с графикой, поскольку их параллельная структура позволяет им одновременно обрабатывать тысячи пикселей. Большинство роботов разработаны с заданным набором приложений и могут выиграть от аппаратного ускорения. Поэтому инженеры из MIT создала робоморфные вычисления.

Система создает индивидуальный дизайн оборудования, чтобы наилучшим образом удовлетворить вычислительные потребности конкретного робота. Пользователь вводит параметры робота, такие как расположение конечностей и движения различных частей. Новая разработка переводит эти физические свойства в математические матрицы. Они являются «разреженными», а значит, содержат множество нулевых значений, которые примерно соответствуют движениям, которые невозможны с учетом конкретной анатомии робота. Точно так же движения руки человека ограничены, потому что она может сгибаться только в определенных суставах.

Затем система проектирует аппаратную архитектуру, специализированную для выполнения вычислений только с ненулевыми значениями в матрицах. Таким образом, получившаяся конструкция микросхемы адаптирована для обеспечения максимальной эффективности вычислительных потребностей робота. И эта настройка окупилась при тестировании.

Аппаратная архитектура, разработанная с использованием этого метода для конкретного приложения, превосходит стандартные и графические процессоры — в восемь раз быстрее, чем CPU, и в 86 раз быстрее, чем GPU.

Источник