Mezinárodní tým vědců z Fakulty elektrotechnické ČVUT, Universität Hamburg a Université Paris Cité využil humanoidního robota iCub ke studiu toho, jak si malé děti osvojují schopnost ovlivňovat okolní svět vlastními pohyby. Výsledky tohoto fascinujícího výzkumu nyní publikoval prestižní vědecký časopis Science Robotics.
Mezinárodní tým vědců z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, Universität Hamburg a Université Paris Cité se pustil do zkoumání jedné z nejzákladnějších lidských schopností. Odborníci se zaměřili na to, jak se malé dítě učí, že pohyb jeho vlastní ruky může změnit svět kolem něj, a co se při tom všem vlastně odehrává v jeho vyvíjejícím se mozku. K tomuto účelu využili humanoidního robota iCub, přičemž výsledky jejich experimentů přinášejí zcela nový pohled do mechanismů raného učení a byly publikovány v Science Robotics, nejprestižnějším vědeckém časopise v oboru robotiky.
Propojení robotiky, psychologie a neurovědy
Vědci z Fakulty elektrotechnické ČVUT použili humanoidního robota iCub jako model pro studium schopnosti, kterou si osvojujeme už v prvních měsících života. Pochopení, že vlastními pohyby můžeme ovlivňovat okolní svět, je totiž základním stavebním kamenem lidského poznání. Experiment propojuje robotiku a umělou inteligenci s vývojovou psychologií a neurovědou. Hlavním cílem přitom nebylo naučit robota nový praktický úkol, ale pomocí robotického modelu lépe pochopit mechanismy, na nichž stojí raný vývoj lidského poznání.
Tým docenta Matěje Hoffmanna z katedry kybernetiky FEL ČVUT navázal na klasický výzkum americké psycholožky Carolyn Rovee-Collierové. V experimentu známém jako mobile paradigm leží dítě v postýlce a jedna z jeho končetin je propojena se zavěšenou hračkou. Když dítě končetinou pohne, hračka se rozhýbe. Dítě postupně objevuje, že právě jeho vlastní pohyb tuto změnu způsobil, čímž si vytváří jeden ze základních vztahů mezi vlastní akcí a jejím následkem. Výzkumníci z FEL ČVUT nahradili dítě humanoidním robotem iCub a vytvořili pro něj výpočetní model představující zjednodušený umělý mozek. Robot přitom nedostal předem informaci o tom, která končetina je s hračkou propojena ani jak přesně jeho pohyb ovlivní okolí. Musel na tyto souvislosti přicházet postupně prostřednictvím vlastních pohybů a jejich následků.
Role očekávání a zvídavosti
U robota ani u dítěte se objevování neobejde bez překvapení. Klíčovou roli v modelu hrají očekávání a zvídavost. Robot si průběžně vytváří předpovědi toho, co se stane, když určitým způsobem pohne končetinou. Pokud se skutečnost od očekávání liší, vzniká takzvané překvapení. Právě nepředvídaný výsledek je pro model zajímavý a motivuje ho k dalšímu zkoumání. Jakmile se robot naučí daný vztah správně předvídat, přestává být nový a jeho pozornost se může přesunout jinam.
„Dítě se potřebuje naučit, které změny ve svém okolí způsobuje vlastní činností. Náš model pracuje se základními kognitivními mechanismy – predikcí, překvapením a zvídavostí. Robot očekává určitý následek svého pohybu. Když se stane něco neočekávaného, je to pro něj zajímavé a zkusí udělat podobné pohyby znovu. Právě tím se postupně učí vztah mezi svým tělem a okolním světem,“ vysvětluje doc. Matěj Hoffmann, vedoucí Laboratoře humanoidní robotiky na katedře kybernetiky FEL ČVUT.
Výhodou robota jako modelu je, že vědci přesně vědí, co jeho mozek obsahuje, a mohou jeho jednotlivé mechanismy cíleně měnit. V takzvaných ablačních experimentech proto výzkumníci části modelu postupně vypínali a sledovali, zda je robot i tak schopen pochopit vztah mezi svým pohybem a reakcí sledovaného předmětu. Výsledky ukázaly, že pro jeho chování jsou důležité mechanismy predikce a explorace, ale také například určitá míra motorického šumu.
Nestačí sledovat, která ruka se hýbe víc
Výsledky zároveň přinášejí zcela nový pohled na interpretaci klasických experimentů s dětmi. Ty často vycházejí z předpokladu, že pokud dítě pochopí, která končetina ovládá zavěšenou hračku, začne právě touto končetinou pohybovat více. Experimenty s iCubem však ukázaly mnohem složitější obraz. Robot dokázal vztah mezi pohybem a reakcí hračky objevit různými způsoby. V některých případech připojenou končetinou skutečně pohyboval více, jindy s ní ale naopak pohyboval méně, zato však velmi specifickým způsobem, který účinně vyvolával pohyb hračky. Samotné množství pohybu proto nemusí být dostatečným ukazatelem toho, zda dítě vztah mezi svou akcí a jejím následkem pochopilo.
„Klasická interpretace říká zjednodušeně: když se připojená ruka hýbe více, dítě pochopilo, že ovládá hračku. My ale ukazujeme, že existují i jiné strategie. Robot někdy pohyboval připojenou rukou méně, ale dělal s ní přesně takové pohyby, které měly zajímavý účinek. Pro vývojovou psychologii je to důležitý podnět, že je třeba sledovat nejen kolik se dítě pohybuje, ale také jakým způsobem,“ říká dr. Sergiu T. Popescu, vývojový psycholog působící ve výzkumné skupině FEL ČVUT. Právě různorodost strategií může podle autorů pomoci vysvětlit i část variability v psychologických studiích. Mobile paradigm se používá desítky let, jeho výsledky se však ne vždy podařilo jednoznačně reprodukovat. Nový robotický model umožňuje podrobně sledovat nejen výsledné chování, ale také mechanismy, které k němu vedly.
Robot jako cesta k pochopení dětského mozku
Výzkum ukazuje jednu z velkých výhod takzvané vývojové robotiky. Vědci mohou vytvořit model určitého mechanismu lidského poznávání, zasadit jej do fyzického těla a následně přesně zkoumat jeho chování v reálném světě. Na rozdíl od čistě počítačové simulace vstupují do experimentu také skutečné vlastnosti těla robota, jeho motorů, senzorů i fyzického propojení s okolím. Pro Hoffmannův představují humanoidní roboti stále více nástroj pro studium raného vývoje dítěte a jeho mozku. Výzkum přirozeně propojuje robotiku a umělou inteligenci s vývojovou psychologií a neurovědou. V dlouhodobějším horizontu může mít tento směr význam také pro samotnou robotiku. Robot, který se má učit podobně jako dítě, musí nejprve získat základní představu o vlastním těle, zjistit, které vjemy jsou důsledkem jeho vlastních akcí, a postupně objevovat, co všechno dokáže ve svém okolí ovlivnit. Současná studie představuje jeden z dílčích kroků na této cestě.
„Humanoidní robot je pro nás v tomto výzkumu především nástrojem, jak porozumět ranému vývoji dítěte. Jeho výhodou je, že máme celý jeho model pod kontrolou. Můžeme jednotlivé mechanismy zapínat a vypínat a sledovat, co se změní. To s lidským mozkem samozřejmě udělat nemůžeme,“ doplňuje Hoffmann.
Představení robota iCub
iCub je humanoidní robot navržený Italským technologickým institutem pro výzkum poznání a interakce s prostředím. Měří něco přes jeden metr, velikostně tak odpovídá přibližně čtyřletému dítěti a jeho tělo ovládá celkem 53 elektromotorů. Svět kolem sebe vnímá prostřednictvím kamer, mikrofonů a tisíců dotykových senzorů zabudovaných v elektronické kůži. Pražská skupina z katedry kybernetiky FEL ČVUT získala iCub v rámci projektu Výzkumného centra informatiky.
