Estudo conceitua Indústria 6.0 orientada por GenAI com uma demonstração de enxame bem-sucedida

Desde a revolução industrial, os processos de fabricação evoluíram continuamente em alinhamento com os avanços tecnológicos. As inovações recentes, especialmente no domínio da robótica, da impressão 3D e da aprendizagem automática, poderão em breve facilitar novas mudanças, estabelecendo potencialmente uma nova geração para os padrões da indústria.

Pesquisadores do Laboratório de Robótica Inteligente da Skoltech apresentaram recentemente sua visão para a futura geração da indústria, que apelidaram de Indústria 6.0. A sua visão, delineada num documento publicado no arXiv servidor de pré-impressão, foi testado em uma demonstração inicial usando sistemas computacionais e robóticos reais.

“Fomos inspirados por nossas recentes conquistas em IA generativa e sua aplicação em robótica”, disse Dzmitry Tsetserukou, autor supervisor do estudo, ao Tech Xplore. “Este ano desenvolvemos vários sistemas inovadores, onde o GenAI ajudou a resolver problemas que antes exigiam muitos recursos humanos de codificação. Isso me fez repensar o entendimento clássico de como as coisas são fabricadas que resultou no conceito da Indústria 6.0.”

Embora muitos associem o termo “revolução industrial” à primeira revolução industrial, que foi marcada pelo advento da máquina a vapor, desde então ocorreram vários outros marcos que marcaram novas revoluções na indústria. A segunda revolução industrial, que ocorreu entre 1870 e 1914, foi alimentada pela descoberta da eletricidade e pela síntese química de novos materiais, o que levou à introdução de linhas de montagem e à produção em massa.

A terceira revolução industrial, por outro lado, foi agora delineada como ocorrendo entre as décadas de 1960 e 2000, com o desenvolvimento dos primeiros computadores, robôs, dispositivos eletrónicos e, eventualmente, da Internet. Esses avanços abriram novas possibilidades de comunicação e permitiram a automação de diversas tarefas em ambientes industriais.

“A Quarta Revolução Industrial, ou Indústria 4.0. É o conceito proposto pelo Fundador e Presidente do Fórum Económico Mundial, Professor Klaus Schwab, em 2016”, disse Tsetserukou. “Em suma, a Indústria 4.0 defende a fabricação inteligente. Existem quatro tipos fundamentais de tecnologias disruptivas para tornar isso possível: IoT (conectividade de robôs, 5G, gêmeos digitais), inteligência (aprendizado de máquina), robôs móveis autônomos (AMR), e fabricação aditiva (impressoras 3D, etc.).”

Os teóricos acreditam que começámos agora a mudar para uma quinta geração de Indústria (ou seja, Indústria 5.0), na qual humanos e máquinas colaborarão estreitamente no mesmo ambiente. Esta nova fase está associada ao desenvolvimento de robôs colaborativos, gémeos digitais, técnicas de aprendizagem profunda e outras ferramentas recentemente desenvolvidas que melhoram a cooperação entre utilizadores humanos e máquinas.

Embora se espere que as máquinas e as ferramentas computacionais desempenhem um papel mais importante nesta fase, as tarefas cognitivamente exigentes e de tomada de decisão ainda devem ser executadas por especialistas humanos. Na ciência da computação, essa inclusão de humanos nas tarefas é chamada de “human-in-the-loop”.

“A Indústria 6.0, o conceito que proponho, aproveita a IA generativa e um enxame de robôs heterogêneos, onde o humano está fora do circuito”, explicou Tsetserukou. “Todas as etapas, desde o desenho da planta (modelo CAD) até a montagem, são feitas de forma autônoma.

“A única informação que vem de um ser humano é a ideia do produto dada por meio de mensagem de texto, imagem ou voz, o resultado é o produto pronto (modelo de entrada para saída). A IA generativa em nuvem (GenAI) supervisiona o projeto e a fabricação processo, enquanto cada robô, equipado com IA, opera de forma independente em um ambiente dinâmico.”

Essencialmente, Tsetserukou prevê uma força de trabalho hierárquica baseada em máquinas, na qual os modelos GenAI em nuvem orientam as estratégias gerais executadas por outros modelos computacionais e sistemas robóticos. O artigo descreve suas ideias para o futuro da indústria, ao mesmo tempo em que enfatiza sua robustez e sustentabilidade. No cenário totalmente automatizado que ele descreve, os itens fabricados são analisados ​​em todas as etapas do processo de fabricação, incluindo montagem e testes do produto.

“Quando algum mau funcionamento é identificado, o Cloud GenAI descobre o local quando isso aconteceu e o motivo disso. Os agentes de IA supervisionarão os procedimentos de reparo e manutenção do equipamento. Eles também serão responsáveis ​​pela avaliação da qualidade do produto, fornecendo feedback sobre o desempenho do produto, discussão com o usuário se suas expectativas foram atendidas”, disse Tsetserukou.

“Os principais ‘trabalhadores’ nas fábricas da nova geração são enxames de robôs cognitivos heterogêneos. Robôs humanoides industriais, colaborativos, móveis, drones, juntamente com máquinas CNC acionadas por IA e impressoras 3D estão se unindo para alcançar a fabricação ideal e rápida do projetado produto.”

Em seu artigo, Tsetserukou também prevê a invenção do chamado transportador voador. Ele sugere que, em vez de serem montados horizontalmente em mesas ou transportadores industriais regulares, os produtos poderiam ser fabricados verticalmente e transportados para diferentes estações por equipes de robôs voadores.

“Quando Henry Ford inventou o transportador de correia para montagem, ele revolucionou a produção em massa”, explicou Tsetserukou. “Isso também levou ao layout horizontal das fábricas. Propus um transportador voador onde a entrega de componentes pode ser feita em qualquer direção por um enxame de drones autônomos. Pode potencialmente levar a processos mais otimizados, como o layout vertical das fábricas , assemelhando-se à agricultura vertical. Os drones podem se unir a robôs móveis autônomos para lidar com uma ampla gama de cargas úteis.”

Na visão de Tsetserukou, robôs voadores entregariam itens a uma célula robótica. Nessa célula, eles seriam processados ​​mecanicamente, depois seriam trazidos de volta ao solo, onde seriam submetidos a verificações de qualidade e, por fim, armazenados.

“A Indústria 6.0 aproveita Digital Twins controlados por GenAI (fábrica virtual de IA)”, disse Tsetserukou. “Treinamos robôs em um mundo digital e transferimos o aprendizado para um mundo real (Sim-To-Real). A Indústria 6.0 também sugere que cada robô cognitivo pode ensinar outros robôs físicos e virtuais (Real-to-Sim-to-Real) e compartilhar conjuntos de dados coletados.”

Além de delinear seu conceito para a Indústria 6.0, Tsetserukou realizou uma demonstração inicial de sua tecnologia subjacente, que foi desenvolvida por 11 pesquisadores do Laboratório ISR liderados pelo Ph.D. estudante Artem Lykov, Dr. Miguel Altamirano Cabrera e Ph.D. estudante Mikhail Konenkov.

“No cenário, um ser humano dá o comando para projetar e fabricar uma garra robótica. O LLM gera o código Python executável para obter a geometria planar do objeto”, disse Tsetserukou. “Na próxima etapa, a IA gera um script STL 3D para os componentes da pinça e o envia para uma impressora 3D. Assim que os componentes são impressos, é gerado o arquivo com suas posições e instruções de montagem. O robô colaborativo UR10 com pinça Robotiq agarra o pega uma placa de metal com componentes da impressora 3D e carrega no drone.”

Os pesquisadores introduziram materiais magnéticos tanto nos drones quanto na impressora 3D, pois isso permitiu destacar a placa metálica quando necessário. Usando esta placa, o drone poderia entregar componentes a uma célula de montagem robótica, onde dois braços robóticos UR3 os manipulariam, criando o produto final. Notavelmente, a árvore de comportamento de todos esses co-bots foi planejada por um modelo GenAI.

“Medimos o tempo necessário para os engenheiros CAD construírem o desenho e o tempo gasto em cada etapa do processo pelos humanos e pela Indústria 6.0”, disse Tsetserukou. “Surpreendentemente, alcançamos uma vantagem tremenda com um fator médio de melhoria de 4,4. A GenAI gerou projetos CAD 3D 47 vezes mais rápido do que seus equivalentes humanos, completando a tarefa em 30 segundos.”

Na sua demonstração inicial, os investigadores também descobriram que os drones também podiam entregar e montar itens mais rapidamente do que os agentes humanos. À medida que os sistemas robóticos e as ferramentas computacionais continuam a melhorar, nos próximos anos estes tempos observados poderão ser ainda mais reduzidos.

“Além da garra robótica, a GenAI projetou com sucesso um moedor de café, copos, tesouras e até mesmo um corpo para quadricóptero”, disse Tsetserukou. “Isso não significa que o design seja perfeito e ideal, mas prova que a GenAI tem um forte potencial para aprender como entregar um design de alta qualidade no futuro. de produção em massa.”

O recente artigo desta equipa de investigadores oferece uma possível previsão para o futuro da indústria, na qual os humanos já não estarão envolvidos no fabrico real dos produtos. Tetserukou e os seus colegas estão agora a realizar estudos adicionais que exploram o papel que as tecnologias emergentes poderão eventualmente desempenhar nos processos industriais.

“Se ampliarmos a ideia, podemos imaginar que as fábricas da Indústria 6.0 colaborarão entre si criando e atualizando um conjunto de dados global, ao mesmo tempo que compartilharão as arquiteturas de redes neurais mais bem-sucedidas para as tarefas específicas de manter uma plataforma para arquiteturas GenAI personalizadas para a indústria, ” acrescentou Tsetserukou.

“Nossa pesquisa futura será dedicada à otimização de processos orientada por IA na Indústria 6.0, permitindo a fabricação de produtos mais sofisticados. Os modelos VLM e LMM mais avançados serão incorporados para melhorar a capacidade cognitiva do enxame robótico heterogêneo, para que possam operar em um ambiente dinâmico e desordenado.”

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