Robotyka to dziedzina nauki zajmująca się maszynami, które wykonują zadania w oparciu o z góry ustalone i adaptacyjne programy oraz algorytmy w sposób automatyczny lub półautomatyczny. Maszyny te - potocznie zwane robotami - są albo sterowane przez człowieka, albo pracują całkowicie pod nadzorem aplikacji komputerowej i algorytmów. Robotyka to kompleksowe pojęcie, które obejmuje budowę, planowanie i programowanie robotów. Roboty te są w bezpośrednim kontakcie ze światem fizycznym i często są wykorzystywane do monotonnych i powtarzalnych zadań zastępując człowieka. Roboty można podzielić na kategorie w zależności od ich rozmiaru, dziedziny zastosowania lub celu, co omówimy później.
Robotyka kontra automatyzacja
Automatyzacja jest znacznie szerszym pojęciem niż robotyka. Oznacza ona, że określone części procesu lub całe procesy przebiegają bez udziału człowieka. Proces jest zamiast tego realizowany wyłącznie przez predefiniowane lub adaptacyjne aplikacje komputerowe oraz maszyny elektryczne lub mechaniczne. Aplikacje predefiniowane odnoszą się do algorytmów, w których wszystkie czynności są z góry określone i wykonywane niezależnie od nieprzewidzianych zmian w otoczeniu. Automatyzacja adaptacyjna oznacza, że algorytm może zmieniać swoje zachowanie w zależności od zmian w procesie lub otoczeniu.
Robotyka idzie w parze z automatyzacją, ponieważ w większości przypadków roboty są częścią zautomatyzowanego systemu. Chociaż zdarzają się sytuacje, w których roboty są używane przy niewielkiej automatyzacji lub nawet bez niej - i możliwa jest też automatyzacja bez robotyki - są one jak para bliźniaczek, które mają wiele wspólnego, ale każda z nich ma swoją własną, odrębną osobowość.
Skoro istnieją maszyny, które wykonują zadania za nas, to dlaczego my w ogóle pracujemy? Prawda jest taka, że możliwości robotów są ograniczone. Nawet jeśli roboty wyglądają na inteligentne, maszyny te sprawdzają się jedynie w bardzo wąskiej dziedzinie zastosowań. Nawet jeśli zastosujemy armię robotów do wielu zadań w naszym życiu, dziedziny te nie pokrywają się w sposób, który pozwoliłby na stworzenie kompletnego systemu, który mógłby całkowicie zastąpić człowieka.
Innymi słowy, ponieważ te roboty mogą działać tylko w bardzo ograniczonej dziedzinie - i obecnie w żaden sposób nie zbliżamy się do osiągnięcia ogólnej inteligencji maszyn - nie należy obawiać się złych robotów ani dominacji robotów.
Rodzaje robotów
Roboty można klasyfikować na różne sposoby. Przyjrzymy się czterem głównym metodom kategoryzacji:
Rozmiar
Dziedzina zastosowania
Przeznaczenie
Ilość
Rozmiar
Jeśli chodzi o rozmiar, istnieją następujące kategorie:
Nanoroboty lub nanoboty: nanoroboty są wykonane z nanomateriałów i ich rozmiar wynosi od 0,1 do 10 mikrometrów (aby móc wyobrazić sobie, jak mały jest to rozmiar, wystarczy pomyśleć, że ludzka czerwona krwinka ma wielkość około 5-10 mikrometrów). Nanoroboty są na wczesnym etapie badań - głównie dyskutuje się o ich zastosowaniu w medycynie i potrzeba jeszcze wielu lat ciężkiej pracy, aby stały się rzeczywistym rozwiązaniem. Jedną z wizji zastosowania nanorobotów jest wstrzykiwanie ich do ciała pacjenta w celu identyfikacji i leczenia chorób.
Mikroboty, miliboty i miniboty: te roboty są bardzo małe, ale wciąż większe od nanorobotów - i w zasadzie już istnieją. Mikroboty, miliboty i miniboty są mniejsze niż odpowiednio 1 mm, 1 cm i 10 cm. Najmniejszym latającym robotem jest RoboBee, o rozpiętości skrzydeł 1,2 cm i wadze 80 miligramów. Jego skrzydła mogą trzepotać 120 razy na sekundę i można sterować nim zdalnie. Celem tak małego urządzenia jest stworzenie latającego roju do poszukiwań i ratownictwa lub sztucznego zapylania.
Małe i średnie roboty: roboty te mają zazwyczaj mniej niż 100 cm (małe) lub są wielkości człowieka (100-200 cm, średnie). Większość robotów domowych, zabawek i robotów społecznych, humanoidów (robotów, które wyglądem przypominają człowieka - Transformersi z komiksów i filmów są typowym przykładem) oraz cyfrowych asystentów osobistych jest tej wielkości. Małe i średnie roboty to te, które widzimy i spotykamy najczęściej - w filmach i w prawdziwym życiu.
Duże roboty: te roboty są większe od nas. Dużo większe. Istnieją też duże roboty humanoidalne, nawet do 8-10 metrów. Jednak duże roboty humanoidalne są zazwyczaj tworzone do celów badawczych lub po prostu dla rozrywki. W rzeczywistości większość dużych robotów nie przypomina człowieka - są one tworzone z myślą o automatyzacji w produkcji, budownictwie, rolnictwie, autonomicznej jeździe i nawigacji.
Dziedzina zastosowania
Roboty można również sklasyfikować według ich dziedziny zastosowania, dzieląc je na roboty osobiste i przemysłowe.
Roboty osobiste są używane w naszym codziennym życiu i są zaprojektowane tak, aby były przydatne do użytku indywidualnego lub rodzinnego. Osoby nieposiadające wykształcenia technicznego mogą wykorzystywać roboty osobiste do wykonywania powtarzalnych i być może nudnych zadań, aby zaoszczędzić czas lub zapewnić nam rozrywkę. Roboty domowe, roboty społeczne, cyfrowi asystenci osobiści i zabawki to najczęściej spotykane roboty osobiste.
Roboty przemysłowe są wytrzymałe i stworzone do wykonywania konkretnych zadań w uprzednio zaprogramowany sposób, na przykład w produkcji, budownictwie lub rolnictwie. Zakres zastosowań obejmuje montaż, demontaż, mocowanie, dokręcanie śrub, spawanie, malowanie, kontrolę wizualną itd. Roboty przemysłowe świetnie nadają się do wykonywania jednego konkretnego zadania: są to szybkie, precyzyjne i niezawodne maszyny. Bez robotów przemysłowych nie osiągnęlibyśmy dzisiejszego poziomu rozwoju technologicznego.
Przeznaczenie
Inną możliwą kategoryzacją robotów jest podział według ich przeznaczenia. Roboty mogą mieć specyficzne lub ogólne przeznaczenie. Ale co to oznacza?
Roboty zadaniowe: te maszyny wykonują konkretne zadanie lub sekwencję możliwych zadań. Mogą być one tak proste, jak robot-ramię, który przenosi obiekty z punktu A do punktu B, ale mogą być tak skomplikowane, jak robot społeczny z zaawansowanym interfejsem języka naturalnego. Konstrukcji i zachowania tych robotów nie można zmienić; działają one na podstawie predefiniowanych programów zgodnie z ich pierwotnym przeznaczeniem. Do takich maszyn należą roboty domowe i roboty przemysłowe.
Roboty ogólnego przeznaczenia: w tym przypadku zadanie robota nie jest z góry określone. Różne komponenty robotów mogą być kupowane oddzielnie, a następnie montowane na różne sposoby w celu wykonywania konkretnych zadań Komponenty mogą obejmować ramiona robotów, koła, kamery, silniki krokowe oraz dodatkowe czujniki i aktuatory. Roboty te mogą być również wyposażone w połączenia bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi i Bluetooth. „Mózg” robota - który jest zazwyczaj małym komputerem - może być "trenowany" do wykonywania różnych zadań z różnymi komponentami za pomocą niestandardowych aplikacji napisanych w językach programowania komputerowego. Popularne małe komputery z możliwością programowania - zwane również systemami wbudowanymi - to Nvidia Jetson i Jetson Nano, Raspberry Pi oraz Arduino. Te systemy wbudowane posiadają złącza wejściowe i wyjściowe ogólnego przeznaczenia (GPIO), do których można podłączyć czujniki i aktuatory za pomocą standardowego interfejsu komunikacyjnego.
Inne roboty ogólnego przeznaczenia posiadają fabrycznie zbudowany korpus składający się z czujników (takich jak kamery i mikrofony) i aktuatorów (takich jak ramiona i nogi). Dzięki opracowaniu różnych aplikacji komputerowych robot może wykonywać różne specyficzne zadania. Przykładami takich robotów są Nao, Pepper i Romeo firmy Softbank Robotics lub robot "pies" o imieniu Spot firmy Boston Dynamics.
Ilość
Roboty można również podzielić na kategorie w zależności od ich ilości:
Pojedyncze roboty: pojedynczy robot działa samodzielnie. Ma swoje obowiązki, które wykonuje na podstawie predefiniowanego programu. Predefiniowany program może wykorzystywać zaawansowane technologie, które sprawiają, że robot jest w stanie dostosować się do swojego otoczenia, a także może zostać podłączony do Internetu, ale nadal działa sam. Nawet jeśli w jednym miejscu znajduje się kilka pojedynczych robotów, nadal działąją one "samodzielnie", ponieważ nie mogą się ze sobą komunikować.
Roboty w zespołach: roboty mogą pracować zespołowo, tak jak ludzie. Często zadanie jest wykonywane sukcesywnie przez kilka robotów. Pomyśl o nagraniach wideo, na których widać, w jaki sposób montowane są samochody. Podwozie jest spawane, potem dochodzą drzwi, następnie samochód jest malowany, dochodzą przednie i tylne szyby i tak dalej. Wszystkie te kroki są wykonywane przez różne roboty, które mogą wykonać tylko jedno konkretne zadanie.
Robotyka roju: roboty mogą również pracować w roju. W tym przypadku duża liczba prostych robotów jest sterowana zbiorowo. Pojedyncze roboty w roju nie mają wielkiej wartości, ale cały rój może wykonywać ważne zadania. Wystarczy pomyśleć o pszczołach w przyrodzie. Pojedyncza pszczoła nie może zrobić wiele, ale bez milionów pszczół pracujących w rojach ludzkość prawdopodobnie nie istniałaby. Możliwe zastosowania robotyki roju to eksploracja i ratownictwo, mikrobiologia, nadzór i zapylanie. Jednak w chwili pisania tego tekstu (2021 r.) robotyka roju znajduje się głównie w fazie badań.
Ewolucja robotów
Określenie robot pochodzi od czeskiego słowa "robota", które po czesku oznacza "pracę pańszczyźnianą". Sztuka Karela Čapka z 1920 roku, w której maszyny przejmują władzę nad światem,upowszechniła słowo "robot". Ale ludzkość zawsze była zainteresowana możliwością przeformułowania ludzkiej egzystencji. Jeszcze przed XX wiekiem podjęto kilka prób odtworzenia człowieka, a o ludziach, którym się to udało, krążyły legendy. Jeden z najbardziej znanych pomysłów należy do XVI-wiecznego alchemika Paracelsusa. Stwierdził on, że mała istota podobna do człowieka (zwana homunkulusem) może zostać stworzona w kolbie przy użyciu jedynie procedur chemicznych. Później, w XVI wieku, słowo golem weszło do powszechnej świadomości. Według ludowej opowieści golem był ulepiony z gliny i służył ludziom, jeśli ktoś umieścił mu w ustach lub na czole specjalny pergamin. Po pewnym czasie golem stanął twarzą w twarz ze swoim twórcą i w końcu zwrócił się przeciwko niemu.
Patrząc na historię robotyki można zauważyć ogólne zainteresowanie obdarzeniem robotów człowieczeństwem lub jakimiś ludzkimi atrybutami. Zainteresowanie to wiąże się na ogół z trzema głównymi warunkami:
robot musi być w jakiś sposób podobny do człowieka (z wyglądu, w sposobie myślenia, itp.)
robot musi być w czymś lepszy (silniejszy, mądrzejszy, itp.)
robot musi znajdować się całkowicie pod kontrolą swojego twórcy
W historii robotyki przełomowy moment nastąpił wtedy, kiedy pojawiły się maszyny silniejsze od ludzi. Maszyny, które zastąpiły wkład człowieka w pracę, pojawiły się podczas pierwszej rewolucji przemysłowej około 1769 roku. Wówczas głównym celem było obniżenie kosztów i czasu poświęconego na produkcję oraz zwiększenie ilości produktów bez interakcji z człowiekiem. Automatyzacja stała się wówczas dominującym konceptem. Dzięki automatyzacji wiele procesów można było wykonać bez udziału człowieka. Ponieważ praca była wykonywana przez maszyny, doprowadziło to do stworzenia nowych sposobów pracy i życia. Maszyny nie męczą się tak jak ludzie, więc mogą pracować 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Ryzyko błędu i ilość odpadów również zmniejszyły się wraz z automatyzacją.
Roboty charakteryzują się również kontrolowaną dokładnością i efektywnością. W 1800 roku technologia komputerowa nie istniała. Jednak ludzie byli w stanie stworzyć duże maszyny do wykonywania skomplikowanych zadań. Po 1950 r. nastąpił istotny rozwój robotyki.
Shakey
Stworzono pierwszego robota przemysłowego "Unimate", który był używany w fabrykach samochodów jako zamiennik dla pracowników fizycznych, a także stworzono pierwszego robota mobilnego ogólnego przeznaczenia "Shakey". Shakey miał wbudowane kamery i czujniki dotyku oraz był w stanie wchodzić w interakcje z otoczeniem.
Na temat istnienia robotów można powiedzieć wiele pozytywnych rzeczy, ale ludzkość nie jest w 100% zadowolona. Rynek pracy jest pod ciągłą presją ze strony ludzi chętnych do pracy, ponieważ pracownicy wykonujący powtarzalne zadania mogą zostać zastąpieni przez maszyny. W związku z robotami zawsze pojawia się pewna obawa, czy nie zastąpią one ludzkiej siły roboczej lub czy roboty nie będą miały więcej kontroli nad ludźmi, niż chcielibyśmy.
W miarę jak roboty stają się coraz bardziej realistyczne pojawia się kolejna obawa. Ludzie generalnie tolerują roboty podobne do robotów. Nasz mózg może łatwo sklasyfikować humanoidalne roboty podobne do robotów, tak jak kategoryzujemy roboty przemysłowe w produkcji. Ludzie mogą czuć się zdezorientowani, a nawet sfrustrowani, gdy spotkają zbyt realistycznego robota. W tym przypadku wiemy, że jest to robot. Jednak mózg nie jest w stanie poradzić sobie z tym faktem ze względu na jego realistyczny wygląd. Jego skóra, ruchy, a nawet mowa są bardzo podobne do ludzkiej, ale nasz mózg ma problemy z kategoryzacją: czy to naprawdę jest robot? Czy posiada własne myśli? Czy możemy lub powinniśmy mu zaufać?
Te obawy mogły być powodem sformułowania w połowie XX wieku "zasad robotów", znanych również jako Trzy Prawa lub Prawa Asimova, stworzonych i nazwanych na cześć pisarza Isaaca Asimova.
Są to następujące trzy prawa:
Robot nie może zranić człowieka ani poprzez bezczynność dopuścić do tego, by człowiekowi stała się krzywda.
Robot musi słuchać rozkazów wydawanych mu przez ludzi z wyjątkiem sytuacji, w których takie rozkazy byłyby sprzeczne z Pierwszym Prawem.
Robot musi chronić swoje własne istnienie, o ile ochrona ta nie jest sprzeczna z Pierwszym lub Drugim Prawem.
(Asimov 1950)
Kolejnym kamieniem milowym w historii robotyki było odkrycie powierzchni Księżyca przez pierwszego zdalnie sterowanego robota mobilnego około 1970 roku. Nieco później, w 1986 roku, Honda rozpoczęła projekt mający na celu stworzenie humanoidalnych robotów, które wyglądem miały przypominać ludzi. Ewolucja postępowała dalej, a roboty pojawiały się w coraz większej liczbie dziedzin, takich jak opieka zdrowotna, produkcja i logistyka. Ewolucja robotów to trwający cały czas proces i dzisiaj roboty są obecne w naszym codziennym życiu. Roboty są obecne w domach (odkurzacze), w miejscach pracy (roboty montażowe) i w służbie zdrowia (roboty społeczne do leczenia pacjentów lub roboty chirurgiczne).
Ludzkość jest na etapie czwartej rewolucji przemysłowej, która integruje najnowsze powstające technologie, takie jak robotyka, IoT, 5G, sztuczna inteligencja i wiele innych, aby wnieść przemysł na nowe poziomy.
