Robot iCub napodobuje chování půlročního dítěte. Výzkum vědců z FEL ČVUT ve spolupráci s Universität Hamburg a Université Paris Cité může díky unikátnímu propojení robotiky, umělé inteligence a vývojové psychologie přinést nové poznatky i do oblasti poznání vývoje lidského mozku.
Vědci z Fakulty elektrotechnické ČVUT se snaží porozumět jedné z klíčových otázek vývoje lidského poznání: jak se malým dětem utváří vnímání těla a vztah příčina–následek. S pomocí humanoidního robota iCub nyní simulují klasický experiment americké psycholožky Carolyn Rovee-Collierové s postýlkou, nad kterou je zavěšená hračka. Ta je propojená s končetinou dítěte, které se tak učí, že může vlastním pohybem ovlivnit své okolí.
Tým docenta Matěje Hoffmanna umístil robota iCub do postýlky vybavené jednoduchou hračkou, která se pohybuje, když robot jednou z končetin zatáhne za provázek. Pomocí umělé neuronové sítě se iCub učí rozpoznat, která z jeho končetin hýbe objektem, a začne ji aktivněji používat – stejně jako půlroční dítě. Výsledkem je algoritmus, který napodobuje raný senzoricko-motorický vývoj.
„Zajímá nás, co musí obsahovat umělý mozek, aby se dokázal chovat podobně jako ten dětský,“ vysvětluje Matěj Hoffmann, který řídí Laboratoř humanoidní robotiky na katedře kybernetiky FEL ČVUT. „Cílem není jen vývoj robotů, ale i hlubší porozumění vývoji lidského poznání.“
Na výzkumu se podílejí i psychologové, kteří oceňují přínos robotiky pro modelování vývoje dětí. „Experiment s robotem iCub nám dává jedinečnou možnost ověřit teoretické předpoklady vývojové psychologie na zcela kontrolovatelném systému,“ říká dr. Sergiu T. Popescu, vývojový psycholog působící ve výzkumné skupině FEL ČVUT. „Díky robotickému modelu můžeme lépe pochopit, jak se dítě učí rozlišovat, že jeho pohyb ovlivňuje svět. Jde o zásadní okamžik ve vývoji, kdy si dítě poprvé uvědomuje, že svým vlastním jednáním může měnit své okolí.“
-
Význam výzkumu: modelování poznání od základů
První poznatky týmu z FEL ČVUT vychází ze simulovaného prostředí, kde je robotické dítě zjednodušeno na přímé propojení neuronů s pohybem virtuálních končetin (preprint článku zde: A computational model of infant sensorimotor exploration in the mobile paradigm). Výzkum přináší první podrobný výpočetní model, který napodobuje klíčový mechanismus dětského poznání. Simulace mobilního paradigmatu ukazuje, že robot se dokáže naučit pohybovat specificky tou končetinou, která způsobuje odezvu – podobně jako lidské dítě. Aktuální experimenty pracují s plnohodnotným dětským robotem v postýlce. Tělo robota, poloha vleže a celý kontext je pro pochopení, jak si kojenci osvojují základní dovednosti, klíčový.
Model využívá neuronovou síť s predikčním mechanismem a modul pro exploraci. Robot aktivně vyhledává pohyby, jejichž výsledek je pro něj překvapivý, a tím se učí více o svém těle i prostředí. Autoři v sérii tzv. „ablačních studií“ ukazují, že bez predikce, motorického šumu či dostatečného počtu „svalových příkazů“ se chování robota od lidského dítěte zásadně liší. Model také napodobuje méně častý jev extinkčního výbuchu – krátkodobého zvýšení aktivity po odebrání podnětu.
„Naše výsledky ukazují, že pro učení je klíčová nejen schopnost pohybu, ale i schopnost tvořit predikce a reagovat na jejich nenaplnění,“ doplňuje doc. Matěj Hoffmann.
Model poskytuje důkaz, že základní mechanismy učení – překvapení, motivace k objevování a predikce – mohou vzniknout bez externích odměn, čistě z vnitřní organizace. Autoři plánují model dále rozvíjet o faktory, jako je nuda, pozornost nebo více typů podnětů. Tento přístup otevírá nové možnosti nejen pro vývoj autonomních robotů, ale i pro výzkum raného vývoje poznání u dětí.
Co říkají mezinárodní experti
„Mobile paradigm je jednoduchý, a přitom mimořádně přesvědčivý experiment, který vývojoví psychologové používají ke studiu toho, jak se děti učí pohybovat a poznávat svět na základě zpětné vazby z prostředí. Zavěšený objekt je připojen ke končetině dítěte a jakmile dítě zjistí, že jeho pohyb objekt rozhýbe, začne tuto končetinu používat častěji. Testování humanoidního robota v tomto paradigmatu je užitečný způsob, jak ověřit algoritmy, které umožňují robotům pohyb a objevování. Takové experimenty mohou pomoci vytvořit roboty, kteří se učí podobně jako děti – skrze aktivní zkoumání a vnímání souvislostí mezi svými činy a následky,“ říká prof. J. Kevin O’Regan, emeritní ředitel výzkumu z Université Paris Cité, který se rovněž na výzkumu podílel.
-
Robot iCub: dítě mezi roboty
ICub je humanoidní robot navržený Italským technologickým institutem (IIT) pro výzkum poznání a interakce s prostředím. Měří něco přes jeden metr, velikostně odpovídá čtyřletému dítěti a jeho tělo ovládá 53 elektromotorů. Vnímá svět prostřednictvím dvou kamer (očí), mikrofonů (sluchu) a tisíců dotykových senzorů zabudovaných v tzv. elektronické kůži. Právě tato kombinace z něj činí ideálního kandidáta pro výzkum, který propojuje robotiku, umělou inteligenci a vývojovou psychologii.
Pražská skupina výzkumníků z katedry kybernetiky FEL ČVUT získala robota iCub v rámci projektu Výzkumného centra informatiky. Je to první robot svého druhu v Česku a jeden z mála, který běží na otevřeném softwaru, což umožňuje jeho další vývoj ve spolupráci s mezinárodní komunitou.
Videozáznam experimentu s robotem je k dispozici zde.
Samostatná Fakulta elektrotechnická ČVUT vznikla v roce 1950. V dnešní době se skládá ze 17 kateder umístěných ve dvou budovách: v rámci hlavního kampusu ČVUT v Dejvicích a v naší historické budově na Karlově náměstí. Fakulta elektrotechnická poskytuje prvotřídní vzdělání v oblasti elektrotechniky a informatiky, elektroniky, telekomunikací, automatického řízení, kybernetiky a počítačového inženýrství. Fakulta se dlouhodobě řadí mezi prvních pět výzkumných institucí v České republice. Produkuje přibližně 30 % výzkumných výsledků celého ČVUT a má navázanou rozsáhlou vědeckou spolupráci se špičkovými světovými univerzitami i výzkumnými ústavy. Od roku 1950 Fakulta elektrotechnická vydala cca 30 000 diplomů, které byly vždy vysoce hodnoceny jako doklad prvotřídního vzdělání. Více informací najdete na www.fel.cvut.cz.
České vysoké učení technické v Praze patří k největším a nejstarším technickým vysokým školám v Evropě. Podle Metodiky 2017+ je nejlepší českou technikou ve skupině hodnocených technických vysokých škol. V současné době má ČVUT osm fakult (stavební, strojní, elektrotechnická, jaderná a fyzikálně inženýrská, architektury, dopravní, biomedicínského inženýrství, informačních technologií). Studuje na něm přes 19 000 studentů. V akademickém roce 2024/2025 má ČVUT v Praze akreditováno celkem 341 studijních programů, z toho 145 v angličtině. Kromě fakult tvoří ČVUT v Praze také šest ústavů (Kloknerův ústav, Masarykův ústav vyšších studií, Ústav tělesné výchovy a sportu, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky a Ústav technické a experimentální fyziky). ČVUT vychovává odborníky v oblasti techniky, vědce a manažery se znalostí cizích jazyků, kteří jsou dynamičtí, flexibilní a dokáží se rychle přizpůsobovat požadavkům trhu. Podle výsledků Metodiky 2017+ bylo ČVUT hodnoceno ve skupině pěti technických vysokých škol a obdrželo nejvyšší hodnocení stupněm A. V celosvětovém žebříčku QS World University Rankings je ČVUT na 420. místě a na 12. pozici v regionálním hodnocení „Emerging Europe and Central Asia“. V rámci hodnocení Subject Rankings 2024 pro „Architecture and Build Environments“ je ČVUT 151.–200., v „Engineering – Civil and Structural” je ČVUT mezi 201.–240. místem, v oblasti „Mechanical, Aeronautical & Manufacturing Engineering“ na 201.–250. místě, u „Electrical & Electronic Engineering“ na 201.–250. pozici. V oblasti „Physics and Astronomy“ na 201.–250. místě, „Natural Sciences“ jsou na 307. příčce. V oblasti „Computer Science and Information Systems” je na 201.–250. místě, v oblasti „Material Sciences“ na 251.–300. místě, v oblasti „Mathematics“ na 301.–350. místě a v oblasti „Engineering and Technology“ je ČVUT na 182. místě. Od roku 2020 je ČVUT členem aliance prestižních technických univerzit EuroTeQ. Ta představuje zajímavou a přínosnou příležitost pro studenty, vědecké pracovníky i zaměstnance zapojit se do projektu, který si klade za ambici posunout kvalitu vysokého školství na vyšší úroveň. Dalšími členy skupiny EuroTeQ jsou Technical University of Munich, Technical University of Denmark, Technical University of Eindhoven, École Polytechnique – L´X, Tallinn University of Technology, École polytechnique fédérale de Lausanne a Technion Israel Institute of Technology. Roku 2023 byla aliance rozšířena o HEC Paris a IESE Business School (University of Navarra). Více na www.cvut.cz.