IA projeta novo robô do zero em segundos

Uma equipe liderada por pesquisadores da Northwestern University desenvolveu a primeira inteligência artificial (IA) até o momento que pode projetar robôs de forma inteligente a partir do zero.

Para testar a nova IA, os pesquisadores deram ao sistema uma solicitação simples: projete um robô que possa andar sobre uma superfície plana. Embora a natureza tenha levado bilhões de anos para desenvolver as primeiras espécies ambulantes, o novo algoritmo comprimiu a evolução à velocidade da luz – projetando um robô ambulante com sucesso em poucos segundos.

Mas o programa de IA não é apenas rápido. Ele também funciona em um computador pessoal leve e projeta estruturas totalmente novas a partir do zero. Isto contrasta fortemente com outros sistemas de IA, que muitas vezes requerem supercomputadores que consomem muita energia e conjuntos de dados colossalmente grandes. E mesmo depois de processar todos esses dados, esses sistemas estão amarrados às restrições da criatividade humana – apenas imitando os trabalhos anteriores dos humanos, sem capacidade de gerar novas ideias.

O estudo será publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências.

“Descobrimos um algoritmo de design muito rápido, orientado por IA, que contorna os engarrafamentos da evolução, sem recorrer ao preconceito dos designers humanos”, disse Sam Kriegman, da Northwestern, que liderou o trabalho. “Dissemos à IA que queríamos um robô que pudesse andar pela terra. Então simplesmente apertamos um botão e pronto – ele gerou um projeto para um robô em um piscar de olhos que não se parece em nada com qualquer animal que já andou na terra … Eu chamo esse processo de ‘evolução instantânea’.”

Kriegman é professor assistente de ciência da computação, engenharia mecânica e engenharia química e biológica na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern, onde é membro do Centro de Robótica e Biossistemas. David Matthews, cientista do laboratório de Kriegman, é o primeiro autor do artigo. Kriegman e Matthews trabalharam em estreita colaboração com os co-autores Andrew Spielberg e Daniela Rus (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) e Josh Bongard (Universidade de Vermont) durante vários anos antes de sua descoberta revolucionária.

De xenobots a novos organismos

No início de 2020, Kriegman atraiu ampla atenção da mídia por desenvolver xenobots, os primeiros robôs vivos feitos inteiramente de células biológicas. Agora, Kriegman e a sua equipa veem a sua nova IA como o próximo avanço na sua busca para explorar o potencial da vida artificial. O robô em si é modesto – pequeno, mole e disforme. E, por enquanto, é feito de materiais inorgânicos. Mas Kriegman diz que representa o primeiro passo numa nova era de ferramentas concebidas por IA que, tal como os animais, podem agir diretamente no mundo.

“Quando as pessoas olham para este robô, podem ver um dispositivo inútil”, disse Kriegman. “Vejo o nascimento de um organismo totalmente novo.”

Zero a caminhar em segundos

Embora o programa de IA possa começar com qualquer solicitação, Kriegman e sua equipe começaram com um simples pedido para projetar uma máquina física capaz de andar em terra. Foi aí que a contribuição dos pesquisadores terminou e a IA assumiu o controle.

O computador começou com um bloco do tamanho de uma barra de sabão. Poderia balançar, mas definitivamente não andar. Sabendo que ainda não havia alcançado seu objetivo, a IA rapidamente iterou no design. A cada iteração, a IA avaliava seu design, identificava falhas e reduzia o bloco simulado para atualizar sua estrutura. Eventualmente, o robô simulado poderia saltar no lugar, pular para frente e embaralhar os pés. Finalmente, depois de apenas nove tentativas, gerou um robô que conseguia caminhar metade do comprimento do seu corpo por segundo – cerca de metade da velocidade de um passo humano médio.

Todo o processo de design – desde um bloco disforme com movimento zero até um robô ambulante completo – levou apenas 26 segundos em um laptop.

“Agora qualquer um pode observar a evolução em ação, à medida que a IA gera corpos robóticos cada vez melhores em tempo real”, disse Kriegman. “A evolução dos robôs exigia anteriormente semanas de tentativa e erro num supercomputador e, claro, antes de qualquer animal poder correr, nadar ou voar à volta do nosso mundo, houve milhares de milhões e milhares de milhões de anos de tentativa e erro. Isto porque a evolução não tem previsão. Não é possível prever o futuro para saber se uma mutação específica será benéfica ou catastrófica. Encontrámos uma forma de remover esta venda, comprimindo assim milhares de milhões de anos de evolução num instante.”

Redescobrindo as pernas

Por si só, a IA surpreendentemente encontrou a mesma solução para caminhar que a natureza: pernas. Mas, ao contrário dos designs decididamente simétricos da natureza, a IA adotou uma abordagem diferente. O robô resultante tem três pernas, nadadeiras nas costas, uma face plana e cheio de buracos.

“É interessante porque não dissemos à IA que um robô deveria ter pernas”, disse Kriegman. “Ele redescobriu que as pernas são uma boa maneira de se movimentar em terra. A locomoção com pernas é, na verdade, a forma mais eficiente de movimento terrestre.”

Para ver se o robô simulado poderia funcionar na vida real, Kriegman e sua equipe usaram o robô projetado por IA como modelo. Primeiro, eles imprimiram em 3D um molde do espaço negativo ao redor do corpo do robô. Em seguida, encheram o molde com borracha de silicone líquida e deixaram curar por algumas horas. Quando a equipe retirou o silicone solidificado do molde, ele estava macio e flexível.

Agora era hora de ver se o comportamento simulado do robô – andar – era retido no mundo físico. Os pesquisadores encheram o corpo de borracha do robô com ar, fazendo com que suas três pernas se expandissem. Quando o ar saiu do corpo do robô, as pernas se contraíram. Ao bombear ar continuamente para dentro do robô, ele se expandia e depois se contraía repetidamente – causando uma locomoção lenta, mas constante.

Design desconhecido

Embora a evolução das pernas faça sentido, os buracos são uma adição curiosa. A IA fez buracos em todo o corpo do robô em lugares aparentemente aleatórios. Kriegman levanta a hipótese de que a porosidade remove o peso e adiciona flexibilidade, permitindo ao robô dobrar as pernas para caminhar.

“Não sabemos realmente o que esses buracos fazem, mas sabemos que são importantes”, disse ele. “Porque quando os levamos embora, o robô não consegue mais andar ou não consegue andar também.”

No geral, Kriegman está surpreso e fascinado pelo design do robô, observando que a maioria dos robôs projetados por humanos se parecem com humanos, cães ou discos de hóquei.

“Quando os humanos projetam robôs, tendemos a projetá-los para que se pareçam com objetos familiares”, disse Kriegman. “Mas a IA pode criar novas possibilidades e novos caminhos que os humanos nunca consideraram. Poderia ajudar-nos a pensar e a sonhar de forma diferente. E isto pode ajudar-nos a resolver alguns dos problemas mais difíceis que enfrentamos.”

Potenciais aplicações futuras

Embora o primeiro robô da IA ​​possa fazer pouco mais do que avançar, Kriegman imagina um mundo de possibilidades para ferramentas projetadas pelo mesmo programa. Algum dia, robôs semelhantes poderão ser capazes de navegar pelos escombros de um edifício desabado, seguindo assinaturas térmicas e vibracionais para procurar pessoas e animais presos, ou poderão atravessar sistemas de esgoto para diagnosticar problemas, desobstruir canos e reparar danos. A IA também poderá ser capaz de projetar nanorrobôs que entrem no corpo humano e se dirijam pela corrente sanguínea para desobstruir artérias, diagnosticar doenças ou matar células cancerígenas.

“A única coisa que nos impede destas novas ferramentas e terapias é que não temos ideia de como projetá-las”, disse Kriegman. “Para nossa sorte, a IA tem ideias próprias.”