Vědci z Číny vyvinuli pružnou robotickou kůži, která dokáže vnímat tlak, teplotu i poškození a spustit reakce podobné těm, jaké známe z lidského těla. První krůček k tomu, aby roboti vnímali svět stejně komplexně jako my.
Robotika a umělá inteligence se již desítky let snaží napodobit člověka, a to nejen tvarem či výpočty, ale také způsobem, jakým vnímá svět. Až dosud byli roboti stroji, které „viděly“ pomocí kamer, „slyšely“ pomocí mikrofonů a nakonec jednaly podle naprogramovaných instrukcí. Něco podstatného však chybělo: schopnost vnímat prostředí hmatem/dotykem. Nejnovější průlom v této oblasti navrhuje nesmírně ambiciózní koncept: dát strojům kůži, která detekuje komplexní fyzické podněty (včetně toho, co by se dalo nazvat „bolestí“) podobným způsobem jako lidský hmat.
Tým vědců z univerzit v Šanghaji a Hongkongu vyvinul pružnou, vodivou robotickou kůži, která je schopna fungovat jako kompletní senzor, nikoli jako soubor roztříštěných senzorů, jak je tomu tradičně. Tento syntetický povrch dokáže díky vnitřní struktuře s více než 860 000 mikroskopickými cestičkami, které přenášejí elektrické signály, přeměnit celou robotickou ruku ve smyslovou síť schopnou detekovat tlak, teplotu, poškození a dokonce i více bodů kontaktu najednou.
Na rozdíl od předchozích technologií, které vyžadovaly specializované senzory (jeden pro tlak, jeden pro teplotu a jeden pro sílu), kůže vyvinutá čínskými vědci a popsaná ve studii zveřejněné v Proceedings of the National Academy of Sciences funguje jako jediný multimodální senzor. To je do jisté míry podobné lidské kůži, orgánu, který zachycuje různé typy podnětů a předává je nervovému systému k interpretaci.
Abychom pochopili význam tohoto průlomového objevu, stojí za to si připomenout, co vlastně dělá naše kůže. V lidském těle není hmat jediným smyslem, ale souborem schopností: detekujeme tlak, vibrace, teplotu, strukturu, tah a dokonce i chemické dráždivé látky. Je to díky milionům receptorů rozmístěných po povrchu těla a napojených na nervová vlákna, která přenášejí informace do mozku. Robotická kůže vyvinutá v Šanghaji a Hongkongu se pokouší v elektronické podobě reprodukovat stejnou myšlenku: jediný „obal“ schopný registrovat mnoho druhů podnětů a převádět je na signály, které může interpretovat řídicí systém.
Jak to funguje: materiál, hustota signálů a „umělý hmat“
V tomto případě je klíčem materiál. Výzkumníci vytvořili pružnou strukturu připomínající velmi tenkou plastovou fólii, kterou prochází síť mikroskopických vodivých kanálků. Každý z těchto kanálů funguje jako cesta pro přenos signálu, takže celá kůže se chová jako souvislá senzorická matrice. Namísto umístění tisíců jednotlivých senzorů se senzorem stává samotný povrch. To zjednodušuje konstrukci, snižuje počet kabelů a umožňuje pokrýt velké plochy – například ruku, paži nebo dokonce celý trup robota – aniž by se systém stal těžkopádným.
Hustota těchto drah – více než 860 000 – umožňuje kůži detekovat více současných kontaktů a rozlišovat mezi nimi. Pokud se povrchu dotkne několik prstů najednou nebo pokud po něm sklouzne nějaký předmět, vzor signálů se charakteristickým způsobem změní. Z tohoto vzoru dokáže systém rekonstruovat, co se děje: kde došlo ke kontaktu, jak silnému, jak dlouhému a zda došlo k fyzickému poškození (např. pořezání nebo propíchnutí).
Umělá nocicepce: když robot „cítí bolest“ (bez vědomí)
Nyní přichází logická otázka: Co to znamená, že robot „cítí“? Když mluvíme o robotovi, který „cítí“, nemáme na mysli vědomí nebo subjektivní zkušenost jako u lidí, ale schopnost detekovat a zpracovat škodlivé nebo kritické podněty a automaticky a efektivně na ně reagovat. Z funkčního hlediska je tato umělá „bolest“ ekvivalentem varování před potenciálním nebo skutečným fyzickým poškozením, které spustí akce na ochranu systému. Tato umělá nocicepce – používaný odborný termín – není nic jiného než vysoce sofistikovaný, biologicky inspirovaný poplašný systém.
U živých organismů je nocicepce proces, při kterém specializované receptory (nociceptory) detekují potenciálně škodlivé podněty – například extrémní teplo, nadměrný tlak nebo dráždivé chemické látky – a vysílají signály do nervového systému. Tyto signály mohou vyvolat rychlé reflexy (odstranění ruky z ohně) ještě dříve, než si bolest uvědomíme. U robotů je myšlenka podobná: když kůže zaznamená podnět, který překročí určité prahové hodnoty, řídicí systém provede automatické reakce, jako je uvolnění příliš horkého předmětu, zastavení nebezpečného pohybu nebo stažení ruky, aby se zabránilo dalšímu poškození.
V praxi citlivá robotická kůže umožňuje robotovi nejen detekovat například sílu stisku, ale také rozpoznat, kdy je předmět příliš horký, příliš studený, nebo dokonce kdy došlo k proříznutí či propíchnutí povrchu. To se promítá do větší bezpečnosti a sofistikovanějšího chování při interakci s lidmi a složitým prostředím. Asistenční robot si může všimnout, že drží ruku člověka příliš pevně, a uvolnit sevření; průmyslové rameno se může zastavit, pokud zjistí, že narazilo do něčeho, co by nemělo být v jeho dráze.
Aby robot mohl bezpečně a efektivně pracovat ve složitých situacích, musí mít dokonalejší porozumění fyzikálnímu světu. Robotická kůže nedetekuje pouze dotyk: dokáže se učit ze smyslových signálů, aby rozlišila typ interakce a přizpůsobila svou reakci. Tato schopnost vnímání je klíčovou součástí toho, aby stroje mohly spolupracovat s lidmi, aniž by jim způsobily újmu, a to s takovou úrovní smyslové sofistikovanosti, jakou dříve měly pouze živé bytosti. Mnozí odborníci se totiž domnívají, že bez funkční „kůže“ zůstanou humanoidní robotika a takzvaní koboti (kolaborativní roboti) v jemných úkolech velmi omezeni.
Dopady, budoucnost a pravidla: bezpečnost, protézy, učení i regulace
Tento druh „robotické vnímavosti“ otevírá důležité možnosti. Na jedné straně může zvýšit bezpečnost robotů určených pro práci v blízkosti člověka nebo s ním, a to tím, že rozpozná podněty, které by mohly být nebezpečné pro člověka nebo pro samotný stroj. Na druhé straně by multimodální robotická kůže mohla být klíčovým prvkem ve vývoji pokročilých protéz, kde je smyslové vnímání klíčové pro funkčnost a integraci s uživatelem. Představte si protézu ruky, která se nejen pohybuje, ale také umožňuje uživateli cítit tlak při zvedání sklenice, rozlišovat, zda je předmět horký nebo studený, nebo vnímat, zda byla protéza poškozena.
V této oblasti již existují paralelní směry výzkumu. Týmy ze Stanfordovy univerzity, MIT nebo Institutu Maxe Plancka vyvinuly různé typy „elektronické kůže“ pro protézy a roboty na bázi elastických materiálů, vodivých polymerů nebo sítí nanodrátů. Některé z těchto kůží jsou schopny detekovat velmi jemné vibrace – například tření listu papíru – nebo změny teploty o pouhých několik desetin stupně. Novinkou šanghajské a hongkongské práce je, že integruje mnoho z těchto schopností do jediné souvislé struktury, čímž snižuje složitost systému a přibližuje jej o něco více biologickému modelu.
Tento průlom se navíc netýká pouze „těla“ robotů, ale také toho, jak zpracovávají a učí se z interakce se světem. Použití technik strojového učení k interpretaci signálů zachycených kůží umožňuje smyslové síti „pochopit“, k jakému kontaktu došlo, čímž se postupem času zlepšuje její schopnost interpretace a reakce. Algoritmy se mohou naučit rozpoznávat vzorce: náraz, uklouznutí, pevný, ale bezpečný úchop, náhodné pořezání. S dostatečným množstvím dat může systém předvídat rizikové situace a jednat dříve, než dojde k vážnému poškození.
V praxi to znamená, že kůže nefunguje izolovaně, ale jako součást smyčky vnímání-rozhodování-akce. Senzorický povrch shromažďuje data, model umělé inteligence je interpretuje a řídicí jednotka robota v reálném čase upravuje pohyb. Tento typ integrace je nezbytný pro úkoly, jako je manipulace s křehkými předměty, asistence starším lidem nebo robotická chirurgie, kde chyba v síle nebo teplotě může mít vážné následky.
Je důležité objasnit, že ačkoli v hovorovém jazyce hovoříme o robotech, kteří „cítí bolest“, neznamená to, že stroje mají subjektivní prožitky nebo vědomí utrpení jako lidé nebo zvířata. Umělá nocicepce je založena na sofistikovaném zpracování fyzikálních signálů, podobně jako automatický smyslový reflex, ale nikoli na vědomém vnitřním prožitku. Výzkumníci zdůrazňují, že tato schopnost není ekvivalentní „vnímání“ v lidském slova smyslu, ale spíše rozpoznávání potenciálně škodlivých podnětů a reakce na ně s cílem ochránit sebe nebo ostatní.
Toto rozlišení není jen filozofické, ale má také etické důsledky. S tím, jak roboti získávají pokročilejší smyslové schopnosti, je snadné promítnout do nich lidské vlastnosti, které nemají: emoce, utrpení, záměry. Nicméně i stroj vybavený tou nejdokonalejší kůží je stále systémem, který zpracovává data a provádí akce podle pravidel a modelů. Za současného stavu techniky neexistují důkazy, že by tyto systémy rozvíjely subjektivní prožitek srovnatelný s lidským. Řeči o „bolesti“ u robotů jsou proto funkční metaforou, užitečnou pro vysvětlení jejich chování, ale nikoli doslovným popisem toho, co se odehrává „uvnitř“.
Tento druh rozlišení je zásadní: robot může reagovat na škodlivý signál, dodržovat bezpečnostní protokoly a přizpůsobovat své chování, ale nemá s tímto podnětem spojený emocionální prožitek jako živé bytosti. Záměrem vědců pracujících v tomto směru není proměnit stroje ve vědomé entity, ale vybavit je mechanismy vnímání, které zvýší jejich autonomii, bezpečnost a praktickou využitelnost. V průmyslovém kontextu může například citlivá kůže snížit počet pracovních úrazů; v domácím kontextu mohou být robotičtí asistenti opatrnější a méně dotěrní.
Kromě bezpečnosti může robotická kůže také změnit způsob, jakým se roboti učí. Dnes se mnoho systémů trénuje především pomocí vizuálních dat (obrázky, video) nebo abstraktních informací. Začlenění bohatého a podrobného „smyslu pro dotek“ otevírá dveře novým formám učení interakcí: robotům, kteří zkoumají své prostředí dotykem, tlačením, držením a na základě těchto zkušeností vytvářejí přesnější modely fyzického světa. Tato myšlenka se již zkoumá v robotických laboratořích po celém světě, kde se počítačové vidění kombinuje s umělým hmatem, aby se zlepšila obratnost strojů.
A co bude následovat? Tento průlom je jen jedním z kroků, které by mohly znamenat budoucnost kobotů neboli kolaborativních robotů a robotiky obecně: strojů, které nejen vnímají svět pomocí vnějších senzorů, ale mají integrovaný smyslový povrch, který jim umožňuje bohatší a smysluplnější interakci s ním. Až se tyto systémy zdokonalí, mohli bychom se dočkat robotů, kteří budou detekovat stavy, jež v současnosti přisuzujeme pouze živým organismům: tlak, teplotu, případné poškození a inteligentní adaptivní reakce.
Na obzoru je několik vývojových linií. Jednou z nich je integrace této kůže se systémy haptické zpětné vazby pro člověka: aby informace shromážděné robotickou kůží mohly být převedeny na vjemy pro uživatele, například prostřednictvím vibrací nebo elektrických impulsů v protéze. Další je kombinace se samoopravnými materiály, které jsou schopny „zacelit“ drobná povrchová poškození a ještě více napodobit biologickou kůži. Výzkum také zkoumá, jak tyto kůže učinit energeticky účinnými, odolnými proti opotřebení a snadno vyrobitelnými ve velkém měřítku, aby se mohly přesunout z laboratoře do reálných komerčních aplikací.
Souběžně s tím bude třeba řešit konstrukční a regulační otázky: jak by se měli roboti chovat, když „vycítí“, že něco není v pořádku, jaké priority by měly mít jejich ochranné systémy – jejich vlastní, lidské priority, priority ostatních robotů, jak certifikovat bezpečnost stroje, který se rozhoduje na základě komplexních vjemů? Tyto otázky, které ještě před několika lety vypadaly jako science fiction, se stávají aktuálními s tím, jak se senzorická robotika přibližuje reálnému světu.
Proč je „kůže“ pro roboty téměř nevyhnutelná
Prozatím se zdá být jasné, že hranice mezi biologickým a umělým se stírá. Ne proto, že by se z robotů stávaly vědomé bytosti, ale proto, že zahrnují konstrukční principy inspirované přírodou, aby se staly přizpůsobivějšími, pečlivějšími a efektivnějšími. Robotická kůže, která vnímá „bolest“, je příkladem toho, jak si inženýrství vypůjčuje myšlenky z biologie k řešení velmi specifických problémů: jak zařídit, aby stroj věděl, kdy se má zastavit, chránit nebo změnit své chování dříve, než bude pozdě.
Dát robotům citlivou kůži zkrátka není futuristický rozmar, ale téměř nevyhnutelný krok, pokud chceme, aby s námi žili v továrnách, nemocnicích, domácnostech a na veřejných prostranstvích. To, že tato kůže dokáže rozpoznat umělou obdobu bolesti, z nich sice nedělá lidštější bytosti, ale činí je potenciálně bezpečnějšími a užitečnějšími.