Андроид — чемпион: как устроен чемпионат мира по футболу среди роботов

«FIRA – это особая федерация, – объясняет Иван Хохлов, преподаватель факультета радиотехники и компьютерных технологий Московского физико-технического института (МФТИ). – Ее конечная цель состоит в создании роботов-спортсменов, способных соревноваться в разных видах, среди которых спринт, марафон, тяжелая атлетика и бег с препятствиями. И конечно, футбол». Однако пока футбольный матч между роботами и людьми – чистая фантастика. Игры с колесными машинами уже получаются довольно стремительными, но об андроидах такого не скажешь: они не представляют опасности даже для сборной России. Нынешние роботы движутся медленно, бьют неточно, плохо соображают и постоянно падают. «Соревнования андроидов – самые престижные, – говорит Иван Хохлов, – но они же и самые сложные».

В 2018 году выпускник МФТИ и крупный бизнесмен Азер Бабаев, посетив международные соревнования RoboCup Humanoid League, решил, что россияне обязательно должны в них участвовать. Он обратился в свою альма-матер и предложил создать лабораторию, пообещав поддерживать и финансировать ее. Институт выделил помещение, и уже осенью появилась команда Starkit Robots во главе с Иваном Хохловым. Не имея опыта, члены команды не пытались создать своего робота-андроида с нуля, а начали с готового решения – приобрели французскую платформу Rhoban, которая на тот момент была чемпионом RoboCup.

Консультируясь у французов, разработчики быстро набирались знаний и все лучше понимали, как устроены роботы и что нужно для робофутбола. «Уже через несколько месяцев мы определили элементы, которые можно усовершенствовать, – вспоминает Иван Хохлов. – Начали с механики, с укрепления самых ломких соединений, облегчили и упростили конструкцию. А через полгода дошли до того, что начали активно менять код». Кажется, такой подход – классический если не для российского футбола, то для инженерии. Еще Левша, получив английскую механическую блоху, разобрался в ее устройстве и «усовершенствовал», подковав. Сработал метод и в этот раз: уже весной 2019 года роботы из МФТИ получили свои первые награды.

Андроиды «детской» лиги играют на поле соответствующих размеров, 6х9 м. Поле похоже на настоящее, но в миниатюре: травяное покрытие высотой 30 мм, ворота, разметка... Как и в играх между людьми, роботы бьют угловые и пенальти, получают желтые и красные карточки. Правила тоже в целом повторяют спортивные, но с небольшими коррективами. Например, игроков на поле всего четверо, а сама игра продолжается два тайма по 10 минут. «Карточки роботам пока не показывают, – объясняет Иван Хохлов. – Штраф назначает судья, а его помощник указывает это в программе. Провинившийся игрок уходит за боковую линию отсиживать полминуты».

Соревнования устроены по обычной схеме чемпионатов: 16 команд разделяют на четыре группы, в которых играют все со всеми, затем пары победителей проходят в плей-офф и дальше ведут матчи на выбывание. В 2020 году соревнования RoboCup были по понятным причинам отменены. Однако в 2021-м организаторы сумели провести все мероприятия в удаленном режиме, а матчи – в виртуальном. «Они использовали симулятор Webots, под который написали целую программную инфраструктуру для проведения и обсчета игр, – говорит Иван Хохлов. – От нас потребовалось подготовить модель своего робота и загрузить в систему. И уже где-то там, в облаке, она играла».

На обсчет каждого матча уходило около восьми часов, затем игра визуализировалась и выкладывалась на стриминговом сервисе Twitch. Самым напряженным оказался финал. «Ближе к концу в одном из наших роботов произошла ошибка, – продолжает Иван. – Мы заметили, что он стал чуть хуже видеть и двигаться. Из-за этого игра "в пас" перестала клеиться. Остаток времени мы выживали, перейдя в глухую оборону, – еле дотянули до финального гудка».

Схожесть роботов с людьми лишь добавляет соревнованиям азарта. По правилам, спортсмены должны соответствовать определенным требованиям «гуманоидности». Для RoboCup учитываются индекс массы тела (отношение веса к росту), длина рук и размеры стопы, а на подвижность коленных суставов и шеи накладываются такие же, как у человека, ограничения. «Использовать робота, имеющего дополнительные суставы и способного смотреть одновременно во все стороны, не получится. Это слишком сильно изменило бы характер игры», – добавляет Хохлов.

Кажется, при этом теряется главный пафос робототехники. Если создавать андроидов, в точности повторяющих людей, со всеми нашими недостатками, то какая от них будет польза? Однако научиться этому означает преодолеть главные сложности. Поэтому на поле запрещены даже активные датчики вроде лидаров или подсветка для камер. Можно пользоваться только самими камерами (разумеется, не больше двух штук), гироскопами, датчиками давления и другими пассивными элементами. Иван поясняет: «Сегодня идет "борьба за человека", улучшить его дополнительными функциями можно всегда».

Как и члены некоторых национальных сборных, роботы не вполне разумны и не осознают общей картины игры. Им невдомек, проигрывают они или выигрывают, а события матча никак не влияют на их поведение. «Мы можем задать определенный уровень агрессивности, но во время игры менять его нельзя, – поясняет Иван Хохлов. – Вообще говоря, робофутбол еще не достиг того уровня, на котором этот параметр был бы важен. До сих пор мы в основном концентрировались на базовых задачах: сохранение стабильности, ориентация, удары, подъем после падения, коммуникация. Думаю, что надежность этих алгоритмов стала одним из преимуществ, благодаря которым мы победили». Другим секретом победы стало стереозрение. Команда Starkit первой во всей лиге сумела полноценно использовать две камеры. С помощью «глаз» роботы постоянно создают и обновляют трехмерную модель поля и точно оценивают расположение противников, мяча и разметки. Все расчеты выполняются автономно: машинами не управляют ни тренеры, ни операторы, ни общий на всех компьютер. Информацию о мире они получают лишь от собственных камер и датчиков и обрабатывают ее сами, с помощью бортовых компьютеров. Робот, находящийся недалеко от мяча, автоматически получает временный статус капитана и сообщает другим игрокам команды, куда намерен двинуться и в какую точку бить. Ближайший к нужному месту робот старается добежать и принять передачу. «Мы смогли играть "в пас" и добиться отличных результатов, – рассказывает Хохлов. – В четвертьфинале мы победили с самой большой разницей за всю историю RoboCup – со счетом 24:0. А ведь это была команда EDROM, бразильцы!»

Впрочем, разработчики Starkit считают, что выжали еще далеко не все возможное и из стереозрения, и из применения игровой стратегии. «Думаю, что на соревнованиях 2022 года мы покажем более интеллектуальную защиту и нападение, – говорит Иван тренерским голосом. – Роботы смогут учитывать информацию о расположении противников и играть в футбол, чуть более похожий на настоящий». Ну а через пару лет физтеховцы планируют выйти во «взрослую» лигу (AdultSize), где состязаются андроиды человеческих габаритов.

«Мы хотим, чтобы наш будущий робот мог двигаться с полным отрывом обеих опор от земли, – продолжает Иван. – Не просто ходил, но и бегал, а может, и прыгал. Конечно, в связи с этим возникает множество новых задач, прежде всего обеспечение быстрой обратной связи. Сегодня это можно сделать, и не слишком дорого – думаю, в пределах миллиона долларов. Это вполне реализуемый план. Лично я уверен, что к середине века мы научимся создавать андроидов, способных конкурировать с чемпионами мира по футболу». Будем надеяться, что тогда российские роботы совершат то, что никак не удается живым футболистам из сборной – выйти на поле и достойно сыграть за чемпионский кубок.