Evoluzione istantanea: l’intelligenza artificiale progetta un nuovo robot da zero in pochi secondi

Per testare la nuova intelligenza artificiale, i ricercatori hanno dato al sistema un semplice suggerimento: progettare un robot in grado di camminare su una superficie piana. Mentre la natura ha impiegato miliardi di anni per far evolvere la prima specie che cammina, il nuovo algoritmo ha compresso l’evoluzione alla velocità della luce, progettando un robot che cammina con successo in pochi secondi.

Ma il programma AI non è solo veloce. Funziona anche su un personal computer leggero e progetta da zero strutture completamente nuove. Ciò è in netto contrasto con altri sistemi di intelligenza artificiale, che spesso richiedono supercomputer assetati di energia e set di dati colossalmente grandi. E anche dopo aver analizzato tutti quei dati, questi sistemi sono vincolati ai vincoli della creatività umana, imitando solo il lavoro passato degli esseri umani senza la capacità di generare nuove idee.

Lo studio sarà pubblicato il 3 ottobre nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.

“Abbiamo scoperto un algoritmo di progettazione molto veloce basato sull’intelligenza artificiale che aggira gli ingorghi dell’evoluzione, senza ricorrere ai pregiudizi dei progettisti umani”, ha affermato Sam Kriegman della Northwestern, che ha guidato il lavoro. “Abbiamo detto all’intelligenza artificiale che volevamo un robot in grado di camminare sulla terra. Poi abbiamo semplicemente premuto un pulsante e il gioco è fatto! In un batter d’occhio abbiamo generato un progetto per un robot che non somigliava per niente a qualsiasi animale che abbia mai camminato sulla terra . Chiamo questo processo ‘evoluzione istantanea.'”

Kriegman è un assistente professore di informatica, ingegneria meccanica e ingegneria chimica e biologica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, dove è membro del Center for Robotics and Biosystems. David Matthews, uno scienziato del laboratorio di Kriegman, è il primo autore dell’articolo. Kriegman e Matthews hanno lavorato a stretto contatto con i coautori Andrew Spielberg e Daniela Rus (Massachusetts Institute of Technology) e Josh Bongard (Università del Vermont) per diversi anni prima della loro scoperta rivoluzionaria.

Dagli xenobot ai nuovi organismi

All’inizio del 2020, Kriegman ha attirato l’attenzione dei media per lo sviluppo di xenobot, i primi robot viventi realizzati interamente con cellule biologiche. Ora, Kriegman e il suo team vedono la loro nuova intelligenza artificiale come il prossimo passo avanti nella loro ricerca per esplorare il potenziale della vita artificiale. Il robot in sé è senza pretese: piccolo, molle e deforme. E, per ora, è realizzato con materiali inorganici. Ma Kriegman afferma che rappresenta il primo passo in una nuova era di strumenti progettati dall’intelligenza artificiale che, come gli animali, possono agire direttamente sul mondo.

“Quando le persone guardano questo robot, potrebbero vedere un gadget inutile”, ha detto Kriegman. “Vedo la nascita di un organismo completamente nuovo.”

Zero a camminare in pochi secondi

Mentre il programma di intelligenza artificiale può iniziare con qualsiasi richiesta, Kriegman e il suo team hanno iniziato con una semplice richiesta di progettare una macchina fisica in grado di camminare sulla terra. È qui che si sono fermati gli input dei ricercatori e che è subentrata l’intelligenza artificiale.

Il computer è iniziato con un blocco delle dimensioni di una saponetta. Potrebbe oscillare ma sicuramente non camminare. Sapendo che non aveva ancora raggiunto il suo obiettivo, l’intelligenza artificiale ha rapidamente ripetuto il progetto. Ad ogni iterazione, l’IA ne ha valutato il design, ha identificato i difetti e ha ridotto il blocco simulato per aggiornarne la struttura. Alla fine, il robot simulato potrebbe rimbalzare sul posto, poi saltare in avanti e poi trascinarsi. Alla fine, dopo soli nove tentativi, ha generato un robot in grado di camminare per metà della sua lunghezza corporea al secondo, circa la metà della velocità di un passo umano medio.

L’intero processo di progettazione, da un blocco informe senza movimento a un robot completamente ambulante, ha richiesto solo 26 secondi su un laptop.

“Ora chiunque può osservare l’evoluzione in azione mentre l’intelligenza artificiale genera corpi robotici sempre migliori in tempo reale”, ha affermato Kriegman. “L’evoluzione dei robot in precedenza richiedeva settimane di tentativi ed errori su un supercomputer e, naturalmente, prima che qualsiasi animale potesse correre, nuotare o volare nel nostro mondo, ci sono stati miliardi e miliardi di anni di tentativi ed errori. Questo perché l’evoluzione non ha lungimiranza. Non può vedere nel futuro per sapere se una specifica mutazione sarà benefica o catastrofica. Abbiamo trovato un modo per rimuovere questa benda, comprimendo così miliardi di anni di evoluzione in un istante.”

Riscoprire le gambe

Da sola, l’intelligenza artificiale ha sorprendentemente trovato la stessa soluzione per camminare della natura: le gambe. Ma a differenza dei progetti decisamente simmetrici della natura, l’intelligenza artificiale ha adottato un approccio diverso. Il robot risultante ha tre gambe, pinne lungo la schiena, una faccia piatta ed è crivellato di buchi.

“È interessante perché non abbiamo detto all’intelligenza artificiale che un robot dovrebbe avere le gambe”, ha detto Kriegman. “Ha riscoperto che le gambe sono un buon mezzo per spostarsi sulla terra. La locomozione con le gambe è, infatti, la forma più efficiente di movimento terrestre.”

Per vedere se il robot simulato potesse funzionare nella vita reale, Kriegman e il suo team hanno utilizzato il robot progettato dall’intelligenza artificiale come modello. Innanzitutto, hanno stampato in 3D uno stampo dello spazio negativo attorno al corpo del robot. Quindi, hanno riempito lo stampo con gomma siliconica liquida e hanno lasciato polimerizzare per un paio d’ore. Quando il team ha estratto il silicone solidificato dallo stampo, era morbido e flessibile.

Ora era il momento di vedere se il comportamento simulato del robot, ovvero camminare, fosse mantenuto nel mondo fisico. I ricercatori hanno riempito d’aria il corpo di gomma del robot, facendo espandere le sue tre gambe. Quando l’aria si sgonfiò dal corpo del robot, le gambe si contrassero. Pompando continuamente aria nel robot, questo si espandeva e poi si contraeva ripetutamente, provocando una locomozione lenta ma costante.

Design sconosciuto

Anche se l’evoluzione delle gambe ha senso, i buchi sono un’aggiunta curiosa. L’intelligenza artificiale ha praticato fori in tutto il corpo del robot in luoghi apparentemente casuali. Kriegman ipotizza che la porosità tolga peso e aggiunga flessibilità, consentendo al robot di piegare le gambe per camminare.

“Non sappiamo veramente cosa facciano questi buchi, ma sappiamo che sono importanti”, ha detto. “Perché quando li portiamo via, il robot non può più camminare, oppure non riesce più a camminare altrettanto bene.”

Nel complesso, Kriegman è sorpreso e affascinato dal design del robot, notando che la maggior parte dei robot progettati dall’uomo assomigliano a esseri umani, cani o dischi da hockey.

“Quando gli esseri umani progettano robot, tendiamo a progettarli in modo che assomiglino a oggetti familiari”, ha affermato Kriegman. “Ma l’intelligenza artificiale può creare nuove possibilità e nuovi percorsi che gli esseri umani non hanno mai nemmeno preso in considerazione. Potrebbe aiutarci a pensare e sognare in modo diverso. E questo potrebbe aiutarci a risolvere alcuni dei problemi più difficili che affrontiamo.”

Potenziali applicazioni future

Sebbene il primo robot dell’intelligenza artificiale possa fare poco più che avanzare, Kriegman immagina un mondo di possibilità per gli strumenti progettati dallo stesso programma. Un giorno, robot simili potrebbero essere in grado di navigare tra le macerie di un edificio crollato, seguendo le tracce termiche e vibrazionali per cercare persone e animali intrappolati, oppure potrebbero attraversare i sistemi fognari per diagnosticare problemi, sbloccare tubi e riparare danni. L’intelligenza artificiale potrebbe anche essere in grado di progettare nano-robot che entrano nel corpo umano e si muovono attraverso il flusso sanguigno per sbloccare le arterie, diagnosticare malattie o uccidere le cellule tumorali.

“L’unica cosa che ci impedisce di realizzare questi nuovi strumenti e terapie è che non abbiamo idea di come progettarli”, ha affermato Kriegman. “Fortunatamente per noi, l’intelligenza artificiale ha idee proprie.”