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ROBÓTICA. Computación robomórfica: diseño de "cerebros" personalizados para robots

 

Los investigadores del MIT han desarrollado una forma automatizada de diseñar hardware personalizado, o "cerebros", que acelera la operativa de un robot.

Un nuevo sistema diseña arquitecturas de hardware para acelerar el tiempo de respuesta de los robots.

Los robots contemporáneos pueden moverse rápidamente. Los motores son rápidos y potentes. Sin embargo, en situaciones complejas, como interacciones con personas, los robots a menudo no se mueven rápidamente. “La clave es saber y controlar lo que está pasando en la cabeza del robot.

Percibir los estímulos y calcular una respuesta requiere una "gran cantidad de cálculos", lo que limita el tiempo de reacciónLos investigadores han encontrado una manera de combatir este desajuste entre la "mente" y el cuerpo de un robot. El método, llamado computación robomórfica, utiliza el diseño físico de un robot y las aplicaciones previstas para generar un chip de computadora personalizado que minimiza el tiempo de respuesta del robot.

El avance podría impulsar una variedad de aplicaciones robóticas, incluida, potencialmente, la atención médica de primera línea de pacientes contagiosos, lo que podría ayudar a reducir el riesgo para los pacientes y los trabajadores del hospital.



Hay tres pasos principales en el funcionamiento de un robot. El primero es la percepción, que incluye la recopilación de datos mediante sensores o cámaras. El segundo es el mapeo y la localización: basándose en lo que han visto, tienen que construir un mapa del mundo que los rodea y luego localizarse dentro de ese mapa. El tercer paso es la planificación y el control del movimiento, en otras palabras, trazar un curso de acción.

Estos pasos pueden llevar tiempo y una enorme potencia informática. Para que los robots se implementen en el campo y funcionen de manera segura en entornos dinámicos alrededor de humanos, deben poder pensar y reaccionar muy rápidamente. Los algoritmos actuales no se pueden ejecutar en el hardware de una CPU actual lo suficientemente rápido.

Los investigadores han estado trabajando en mejores algoritmos, pero al parecer las mejoras de software por sí solas no son la respuesta. Lo que es relativamente nuevo es la idea de que también puede explorar un mejor hardware. Eso significa ir más allá de un chip de procesamiento de CPU estándar que comprende el cerebro de un robot, mediante la ayuda de un "acelerador del hardware".

La aceleración de hardware se refiere al uso de una unidad de hardware especializada para realizar ciertas tareas informáticas de manera más eficiente. Un acelerador de hardware de uso común es la unidad de procesamiento de gráficos (GPU), un chip especializado para el procesamiento paralelo. Estos dispositivos son útiles para gráficos porque su estructura paralela les permite procesar simultáneamente miles de píxeles. Una GPU no es la mejor en todo, pero es la mejor en lo que está diseñada. Obtiene un mayor rendimiento para una aplicación en particular. 

La mayoría de los robots están diseñados con un conjunto previsto de aplicaciones y, por lo tanto, podrían beneficiarse de la aceleración del hardware. Es por eso que el equipo investigador desarrolló la computación robomórfica.

El sistema crea un diseño de hardware personalizado para satisfacer mejor las necesidades informáticas de un robot en particular. El usuario ingresa los parámetros de un robot, como el diseño de sus extremidades y cómo se pueden mover sus diversas articulaciones. El sistema traduce estas propiedades físicas en matrices matemáticas. Estas matrices son "escasas", lo que significa que contienen muchos valores cero que corresponden aproximadamente a movimientos que son imposibles dada la anatomía particular de un robot. (Del mismo modo, los movimientos de su brazo son limitados porque solo puede doblarse en ciertas articulaciones, no es un fideo de espagueti infinitamente flexible).

Luego, el sistema diseña una arquitectura de hardware especializada para ejecutar cálculos solo en los valores distintos de cero en las matrices. Por lo tanto, el diseño del chip resultante está diseñado para maximizar la eficiencia de las necesidades informáticas del robot. Y esa personalización dio sus frutos en las pruebas realizadas.

La arquitectura de hardware diseñada con este método para una aplicación en particular superó a las unidades de CPU y GPU vigentes. Si bien el equipo investigador no fabricó un chip especializado desde cero, programaron un chip de matriz de compuertas programable en campo (FPGA) personalizable de acuerdo con las sugerencias de su sistema. A pesar de operar a una velocidad de reloj más lenta, ese chip se desempeñó ocho veces más rápido que la CPU y 86 veces más rápido que la GPU.

Los investigadores ven un gran potencial para la computación robomórfica. Idealmente, se podría  fabricar un chip de planificación de movimiento personalizado para cada robot, permitiéndoles calcular rápidamente movimientos seguros y eficientes. La computación robomórfica podría permitir que los robots alivien a los humanos del riesgo en una variedad de entornos, como el cuidado de pacientes con covid-19 o la manipulación de objetos pesados.

El rendimiento del software es crucial para la robótica porque el mundo real nunca espera a que el robot termine de pensar más rápido,  desbloqueando comportamientos emocionantes que anteriormente serían demasiado difíciles computacionalmente.

Fuente: Neuman S., et al. Robomorphic Computing: A Design Methodology for Domain-Specific Accelerators Parameterized by Robot Morphology. https://asplos-conference.org/abstracts/asplos21-paper857-extended_abstract.pdf

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