We will demonstrate the concept of machine athleticism

運動抜群の機械というのは どういうものでしょう？

and the research to achieve it

これから機械の 運動能力の実演と

with the help of these flying machines called quadrocopters,

それに必要な研究を

or quads, for short.

クアッドコプターを使って

Quads have been around for a long time.

ご覧に入れます

The reason that they're so popular these days

所謂クアッドは 結構昔からあったのですが

is because they're mechanically simple.

最近流行りだした理由は

By controlling the speeds of these four propellers,

構造的にとても シンプルだからです

these machines can roll, pitch, yaw,

４つのプロペラの スピードを—

and accelerate along their common orientation.

制御することによって ロール、ピッチ、ヨーの動作と

On board are also a battery, a computer,

プロペラの方向への 加速が出来ます

various sensors and wireless radios.

またこれには電池 コンピュータ

Quads are extremely agile, but this agility comes at a cost.

様々なセンサと 無線がついています

They are inherently unstable, and they need some form

クアッドはとても敏捷ですが

of automatic feedback control in order to be able to fly.

その代わり不安定で

So, how did it just do that?

ちゃんと飛ばすためには フィードバック制御が必要になります

Cameras on the ceiling and a laptop

今のを どうやって やったのかですが

serve as an indoor global positioning system.

天井のカメラと ノートPCが

It's used to locate objects in the space

この室内の測位システムの 役割をしていて

that have these reflective markers on them.

反射マーカーを付けた物の

This data is then sent to another laptop

位置を測定しています

that is running estimation and control algorithms,

推測と制御の アルゴリズムを実行する

which in turn sends commands to the quad,

別のPCにそのデータが送られ そこから—

which is also running estimation and control algorithms.

クアッドに指令が送られます

The bulk of our research is algorithms.

クアッド自体も推測と制御の アルゴリズムを実行しています

It's the magic that brings these machines to life.

私達の研究の大きな部分を アルゴリズムが占めています

So how does one design the algorithms

それが この機械に 命を吹き込む魔法なのです

that create a machine athlete?

では機械の運動選手のための アルゴリズムは

We use something broadly called model-based design.

どう設計したら いいのでしょう？

We first capture the physics with a mathematical model

私達は広く「モデルベース設計」と 呼ばれる手法を使っています

of how the machines behave.

まず機械の動き方を 数学的モデルを使い

We then use a branch of mathematics

物理的に把握します

called control theory to analyze these models

それから制御理論という

and also to synthesize algorithms for controlling them.

一種の数学を使って そのモデルを分析し

For example, that's how we can make the quad hover.

制御のための アルゴリズムを組み上げます

We first captured the dynamics

例えば どうすれば ホバリングさせられるのか？

with a set of differential equations.

まず力学的性質を

We then manipulate these equations with the help

一連の微分方程式で 記述します

of control theory to create algorithms that stabilize the quad.

それから制御理論を使って 方程式を操り

Let me demonstrate the strength of this approach.

クアッドコプターを安定させる アルゴリズムを作ります

Suppose that we want this quad to not only hover

このアプローチがいかに強力か お目にかけましょう

but to also balance this pole.

クアッドコプターに ホバリングするだけでなく

With a little bit of practice,

バランスを取って この棒を立てさせることにしましょう

it's pretty straightforward for a human being to do this,

少し練習すれば

although we do have the advantage of having

人間には苦もなく できることです

two feet on the ground

両足を地面に付けて

and the use of our very versatile hands.

器用な手を使って

It becomes a little bit more difficult

やるということであれば—

when I only have one foot on the ground

でも片足で立って

and when I don't use my hands.

手を使わずに 足でやるとなると

Notice how this pole has a reflective marker on top,

ちょっと難しくなります

which means that it can be located in the space.

棒の先端に 反射マーカーがあって

(Applause)

部屋の中での位置が分かるように してあることに注意してください

You can notice that this quad is making fine adjustments

(拍手)

to keep the pole balanced.

棒のバランスを取るために クアッドが細かく—

How did we design the algorithms to do this?

調整しているのが 分かるかと思います

We added the mathematical model of the pole

このアルゴリズムを どう設計したかですが

to that of the quad.

クアッドに棒の数学的モデルを

Once we have a model of the combined quad-pole system,

追加したんです

we can use control theory to create algorithms for controlling it.

クアッドと棒を組み合わせた モデルができれば

Here, you see that it's stable,

制御理論を使って その制御をする アルゴリズムが作れます

and even if I give it little nudges,

ご覧のように 安定していて

it goes back to the nice, balanced position.

ちょっと押してやっても

We can also augment the model to include

バランスの取れた状態に 戻ります

where we want the quad to be in space.

このモデルを拡張して

Using this pointer, made out of reflective markers,

行って欲しい場所も 含めることができます

I can point to where I want the quad to be in space

この反射マーカーのついた 指示棒を使って

a fixed distance away from me.

私から一定の距離で

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

クアッドに行って欲しい 場所を指示します

designed with the help of mathematical models

このような曲芸飛行の 鍵になるのが

and control theory.

数学的モデルと制御理論に 基づいて設計された

Let's tell the quad to come back here

アルゴリズムです

and let the pole drop,

クアッドに戻ってきて

and I will next demonstrate the importance

棒を落とすように 指示しましょう

of understanding physical models

次に 物理的モデルや—

and the workings of the physical world.

物理的世界の 仕組みの理解が

Notice how the quad lost altitude

いかに重要かを お見せします

when I put this glass of water on it.

水入りのコップを 載せたとき

Unlike the balancing pole, I did not include

高度が下がったのに お気づきでしょう

the mathematical model of the glass in the system.

棒のバランスを 取った時とは違い

In fact, the system doesn't even know that the glass of water is there.

このコップは数学的モデルに 組み入れていません

Like before, I could use the pointer to tell the quad

このシステムは 水の入ったコップが あることさえ知りません

where I want it to be in space.

前と同じように ポインタを使って

(Applause)

好きな場所に クアッドを行かせられます

Okay, you should be asking yourself,

(拍手)

why doesn't the water fall out of the glass?

不思議にお思いかも しれませんが

Two facts: The first is that gravity acts

なぜコップの水が こぼれないのでしょう？

on all objects in the same way.

２つの要因があって １つは重力がすべての物に

The second is that the propellers are all pointing

同じように働く ということ

in the same direction of the glass, pointing up.

もう１つは プロペラが みんなコップと同じ

You put these two things together, the net result

真上を向いている ということです

is that all side forces on the glass are small

この２つの結果として

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

コップに対して横にかかる 力はわずかで

which as these speeds are negligible.

主に空力的な 効果ですが

And that's why you don't need to model the glass.

今のスピードでは 無視できます

It naturally doesn't spill no matter what the quad does.

コップをモデルに含めなくても いいのはそのためです

(Applause)

クアッドが どのように飛ぼうと 水はこぼれません

The lesson here is that some high-performance tasks

(拍手)

are easier than others,

ここでの教訓は ある種の動作は

and that understanding the physics of the problem

他の動作よりも 簡単で

tells you which ones are easy and which ones are hard.

どのような動作が 簡単かは

In this instance, carrying a glass of water is easy.

その物理現象を理解することで 分かるということです

Balancing a pole is hard.

今の場合 水の入ったコップを運ぶのは 簡単であり

We've all heard stories of athletes

棒のバランスを取るのは 難しいというわけです

performing feats while physically injured.

怪我をしていながらも すごいことを—

Can a machine also perform

やってのける 運動選手の話をよく聞きます

with extreme physical damage?

機械の場合 本体に大きなー

Conventional wisdom says that you need

損傷があっても 機能できるものでしょうか？

at least four fixed motor propeller pairs in order to fly,

一般的には これを飛ばすためには

because there are four degrees of freedom to control:

少なくとも４つのプロペラが 必要とされています

roll, pitch, yaw and acceleration.

ロール、ピッチ、ヨー、加速と

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

４つの自由度が あるからです

can provide redundancy,

ヘクサコプターやオクトコプターには ６つか８つのプロペラがあり

but quadrocopters are much more popular

冗長性があります

because they have the minimum number

クアッドに人気があるのは

of fixed motor propeller pairs: four.

４つという最小限の

Or do they?

モーターとプロペラしか ないからです

If we analyze the mathematical model of this machine

それが欠けたら どうなるのでしょう？

with only two working propellers,

２つのプロペラしか 機能していない場合の

we discover that there's an unconventional way to fly it.

数学的モデルを 分析したところ

We relinquish control of yaw,

異例な方法で 飛ばせられる ことが分かりました

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

新しい構成に基づいた

with algorithms that exploit this new configuration.

アルゴリズムによって ヨーの制御はあきらめつつ

Mathematical models tell us exactly when

ロール ピッチ 加速は 制御し続けることができます

and why this is possible.

数学的モデルは それが正確にどんなとき

In this instance, this knowledge allows us to design

なぜ可能なのかを 教えてくれます

novel machine architectures

この知識によって 機体の損傷に対して

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

柔軟に対応できる 新しい構造や

just like human athletes do,

優れたアルゴリズムを 設計することができます

instead of building machines with redundancy.

冗長性を持たせるかわりに

We can't help but hold our breath when we watch

人間の運動選手のように 対応するのです

a diver somersaulting into the water,

飛び込み選手が 宙返りしながら

or when a vaulter is twisting in the air,

水に飛び込んだり 跳馬選手が迫る地面を前に

the ground fast approaching.

空中で身を捻るのを見る時

Will the diver be able to pull off a rip entry?

思わず息を止めますよね

Will the vaulter stick the landing?

飛び込み選手は きれいに着水できるか？

Suppose we want this quad here

跳馬選手は 着地を決められるか？

to perform a triple flip and finish off

このクアッドに

at the exact same spot that it started.

３回転宙返りして

This maneuver is going to happen so quickly

元の位置に戻らせたい としましょう

that we can't use position feedback to correct the motion during execution.

非常に素早い動作が 要求されるため

There simply isn't enough time.

やっている最中に位置を教えて 動きを修正させることはできません

Instead, what the quad can do is perform the maneuver blindly,

十分な時間がないのです

observe how it finishes the maneuver,

かわりにクアッドは目隠しでやって

and then use that information to modify its behavior

動作をどう終えたかを観察し

so that the next flip is better.

その情報によって 動きを修正し

Similar to the diver and the vaulter,

次回にもっとうまく できるようにします

it is only through repeated practice

飛び込みや 跳馬の選手と

that the maneuver can be learned and executed

同じように 練習を繰り返し

to the highest standard.

動きを身に付ける ことによってのみ

(Applause)

このような動きは 実現できるのです

Striking a moving ball is a necessary skill in many sports.

(拍手)

How do we make a machine do

動くボールを打ち返すというのは 様々なスポーツで要求されるスキルです

what an athlete does seemingly without effort?

運動選手が苦もなく

(Applause)

やっているように見えることを どうすれば機械に させられるでしょう？

This quad has a racket strapped onto its head

(拍手)

with a sweet spot roughly the size of an apple, so not too large.

このクアッドは ラケットが貼付けてありますが

The following calculations are made every 20 milliseconds,

スイートスポットは リンゴの大きさほどしかありません

or 50 times per second.

次に説明する計算を 20ミリ秒ごと

We first figure out where the ball is going.

つまり１秒間に 50回しています

We then next calculate how the quad should hit the ball

最初にボールの飛ぶ先を 求めます

so that it flies to where it was thrown from.

それから投げられた場所に 打ち返すには

Third, a trajectory is planned that carries the quad

ボールをどう打つ必要があるか 計算します

from its current state to the impact point with the ball.

それから現在位置から ボールを打つ位置まで

Fourth, we only execute 20 milliseconds' worth of that strategy.

移動する軌道を 計画します

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

そして その計画を 20ミリ秒間だけ実行します

until the quad strikes the ball.

20ミリ秒後にまた このプロセス全体を繰り返し

(Applause)

ボールを打つ瞬間まで それを続けます

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

(拍手)

they can do it collectively.

機械はダイナミックな行動を 単独で行うだけでなく

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

集団で行うこともできます

(Applause)

この３台のクアッドは 協働で網を持っています

They perform an extremely dynamic

(拍手)

and collective maneuver

ボールを私に 投げ返すために

to launch the ball back to me.

とてもダイナミックで 集団的な

Notice that, at full extension, these quads are vertical.

行動を取っています

(Applause)

引っ張りきった時 クアッドが直立しているでしょう？

In fact, when fully extended,

(拍手)

this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels

実際この時にかかる力は

at the end of their launch.

バンジージャンプした人が 綱の先で受ける力の

The algorithms to do this are very similar

５倍ほどにもなります

to what the single quad used to hit the ball back to me.

このためのアルゴリズムは

Mathematical models are used to continuously re-plan

単独でボールを打ち返す場合と よく似たものです

a cooperative strategy 50 times per second.

数学的モデルを使って 絶えず—

Everything we have seen so far has been

協調的行動を再計画するというのを 毎秒50回繰り返しています

about the machines and their capabilities.

ここまでは

What happens when we couple this machine athleticism

機械の能力を 見て頂きました

with that of a human being?

この機械の運動能力と 人間を組み合わせると

What I have in front of me is a commercial gesture sensor

どうなるでしょう？

mainly used in gaming.

私の前にあるのは 主にゲームで使われる 市販の—

It can recognize what my various body parts

ジェスチャーセンサーです

are doing in real time.

私の体の動きを

Similar to the pointer that I used earlier,

リアルタイムで 把握できます

we can use this as inputs to the system.

先ほど使った ポインタと同様に

We now have a natural way of interacting

これも入力システムとして 使うことができます

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

これにより機械の動作を

(Applause)

仕草によって自然に 操ることができます

Interaction doesn't have to be virtual. It can be physical.

(拍手)

Take this quad, for example.

インタラクションは仮想的なものだけでなく 物理的なものでもあり得ます

It's trying to stay at a fixed point in space.

たとえば このクアッドは

If I try to move it out of the way, it fights me,

一定の場所に いようとします

and moves back to where it wants to be.

他の場所に 移そうとしても

We can change this behavior, however.

抵抗して 元の場所に戻ります

We can use mathematical models

でもこの振る舞いを 変えることもできます

to estimate the force that I'm applying to the quad.

クアッドに

Once we know this force, we can also change the laws of physics,

かけられる力を推定する 数学的モデルを使います

as far as the quad is concerned, of course.

力が分かれば 物理法則を変えることもできます

Here the quad is behaving as if it were

あくまでクアッドに 関する限りですが

in a viscous fluid.

このクアッドは

We now have an intimate way

粘性の液体中にいるかのように 振る舞います

of interacting with a machine.

機械に対し 仄めかすように

I will use this new capability to position

指示できるように なりました

this camera-carrying quad to the appropriate location

この新しい能力を使って

for filming the remainder of this demonstration.

このカメラ付きのクアッドを

So we can physically interact with these quads

デモの撮影に適した位置に 移動させることにしましょう

and we can change the laws of physics.

クアッドと 体を使ってやり取りし

Let's have a little bit of fun with this.

物理法則を変える ことができました

For what you will see next, these quads

これを使って少し 遊んでみましょう

will initially behave as if they were on Pluto.

次にご覧頂くのは

As time goes on, gravity will be increased

クアッドが最初は 冥王星にいるかのようですが

until we're all back on planet Earth,

時間が進むにつれ 重力が強くなっていき

but I assure you we won't get there.

地球の重力に戻る というものです

Okay, here goes.

そこまでは 続かないでしょうが

(Laughter)

ひとつ やってみましょう

(Laughter)

(笑)

(Applause)

(笑)

Whew!

(拍手)

You're all thinking now,

フーッ！

these guys are having way too much fun,

「こいつら遊びすぎだろ」と

and you're probably also asking yourself,

思われるかも しれませんね

why exactly are they building machine athletes?

それに機械の 運動選手なんか作って

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

どうするのかと 疑問をお持ちかも

is to hone skills and develop capabilities.

動物の世界では 遊びは

Others think that it has more of a social role,

スキルや能力を磨く役割がある という説があります

that it's used to bind the group.

集団を結び付ける 社会的役割がある

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

という説もあります

to create new algorithms for machines

私達は同様に スポーツや 競技のアナロジーを使って

to push them to their limits.

機械のための 新しいアルゴリズムを作り

What impact will the speed of machines have on our way of life?

限界を押し広げよう としているんです

Like all our past creations and innovations,

機械のスピードが 私達の生活に もたらす影響は何でしょう？