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Este se llama: Industrias inteligentes.

El hombre y la máquina colaborando en la fábrica: ¿una pesadilla o una unión hecha en el cielo? ¿Cómo serán nuestras fábricas en 2035? pregunta Pieter Simoens de la Universidad de Gante, un afiliado de Imec.

No es necesario ser un gran visionario para imaginar una instalación de producción de última generación repleta de robots e inteligencia artificial (IA).

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¿Un escenario de pesadilla del 'surgimiento de las máquinas'? No necesariamente, porque las personas también desempeñarán un papel importante en las fábricas del mañana.

De hecho, si logramos combinar de manera óptima las fortalezas del hombre y la máquina, incluso podríamos sentar las bases de un matrimonio de ensueño que, para 2035, podría ser el inicio de la quinta revolución industrial.

Con fábricas inteligentes en las que la atención no se centra en la automatización, la digitalización y la producción en masa, sino en la personalización y la personalización, dirigidas por la creatividad humana.

Industria 5.0: donde la robótica inteligente se encuentra con la creatividad humana

La industria ha evolucionado a una velocidad vertiginosa en los últimos 300 años. Todo comenzó en el siglo XVIII cuando las sociedades rurales en Europa y América se sometieron al proceso de urbanización y las industrias del hierro y el textil comenzaron a florecer, en parte gracias a la invención de la máquina de vapor.

Justo antes de la Primera Guerra Mundial, surgieron nuevas industrias (como las industrias del acero y el petróleo), mientras que la invención de la electricidad nos permitió comenzar a producir bienes en masa. Eso marcó el inicio de la Industria 2.0.

Desde entonces, el ritmo de desarrollo se ha vuelto cada vez más rápido. En la década de 1970 fuimos testigos del inicio de la Industria 3.0, que presenta tecnología digital, la automatización de procesos industriales y la introducción de robots.

Y hoy estamos en los albores de la Industria 4.0, que se basa en gran medida en la revolución de Internet de las cosas (IoT): los dispositivos de todo tipo, incluidos los robots, están conectados a Internet y producen un flujo continuo de datos; datos que se pueden usar para generar más información sobre los procesos industriales y para apoyar la optimización adicional de esos procesos

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Fig. 1: De la máquina de vapor al Internet de las cosas: la industria ha evolucionado a una velocidad vertiginosa en los últimos 300 años.

Impresionante, ¿verdad? Por supuesto, tenemos que agregar una nota de precaución sobre estos desarrollos. A medida que la automatización y la optimización se han vuelto más importantes a lo largo de los años, la participación humana se ha visto cada vez más amenazada …

“Sin embargo, es precisamente esta amenaza la que terminará con la llegada de Industry 5.0. En un mundo en el que cada individuo quiere expresarse plenamente, habrá una creciente demanda de productos únicos, personalizados y personalizados. En esa época, el Santo Grial ya no será una producción en masa controlada por robots, sino creatividad humana ”.

Como tal, en las fábricas inteligentes de 2035, será necesario implementar un nuevo modelo de colaboración. Un matrimonio, se podría decir, entre el hombre y la máquina, con robots que realizan el trabajo mecánico pesado, y con sus compañeros de trabajo humanos como los 'arquitectos creativos' (inventando nuevos productos hechos a medida y supervisando su producción en las fábricas del mañana).

La pregunta es: ¿cómo puede fomentar una asociación entre el hombre y la máquina en tal entorno? ¿Cómo se forja un emparejamiento óptimo para que 1 + 1 se convierta efectivamente en 3? ¡Todo se reducirá a una comunicación efectiva entre las diferentes partes!

¿Gemelos digitales para nuestras fábricas inteligentes?

Para dar a la Industria 5.0 todas las posibilidades de éxito, será crucial avanzar en la comunicación entre los diferentes actores (humanos y máquinas).

Por supuesto, las máquinas ya se comunican entre sí hoy. Por ejemplo, en las grandes fábricas de automóviles, los integradores, con la ayuda de protocolos estandarizados, aseguran que las máquinas (a veces de diferentes proveedores) se "conozcan" lo suficiente entre sí para cumplir los objetivos de producción. Pero seamos honestos: en las fábricas actuales, cada máquina básicamente hace su propio trabajo (línea de montaje), y se necesita poca comunicación real.

En el futuro, cuando las máquinas se vuelvan más autónomas y necesiten anticiparse entre sí, la comunicación se volverá más difícil.

“Por ejemplo: imagina dos robots acercándose unos a otros en el piso de la fábrica. En esta situación, ¿cómo puede un robot anticipar cómo se moverá el otro ("¿Irá a la izquierda o a la derecha? ¿Y qué debo hacer …")? Y eso es antes de tener en cuenta las posiciones, acciones y reacciones de otros robots cercanos … "

Para gestionar este tipo de situaciones, puede hacer una copia digital (o gemela) de la fábrica en la nube. Como tal, crea un modelo digital del piso físico de la fábrica; un modelo que se actualiza continuamente en función de los datos del sensor en tiempo real; Un modelo donde todas las decisiones (y sus resultados) se simulan en tiempo real.

En este escenario, toda la autoridad está alojada en una ubicación central desde la que parten todas las instrucciones. Y los robots y las máquinas en la fábrica son el resultado físico de lo que está sucediendo en ese mundo virtual.

A primera vista, este "modelo de dictador" parece una solución ideal para hacer frente a situaciones complejas en la fábrica y garantizar que se cumplan los objetivos de producción. Técnicamente, este escenario ya es perfectamente factible: lo único que necesita es una conexión de datos rápida entre las máquinas físicas en el área de producción y el 'cerebro virtual', y mucha potencia de procesamiento.

Sin embargo, hay dos advertencias a esto. El primero es puramente económico. No olvidemos que los entornos industriales son a menudo lugares complicados y competitivos donde colaboran muchos actores (proveedores y socios, y a veces también competidores). En ese contexto, la protección de datos, privacidad e información es enormemente importante, lo que no se ajusta al escenario del "modelo del dictador" en el que el cerebro central debe tener acceso a todos los tipos posibles de datos (incluidos los datos sensibles a la competencia) para hacer su trabajo correctamente. . Para muchos líderes empresariales, tener que compartir esos datos sería la pesadilla final.

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Fig. 2: ¿Deberíamos hacer gemelos digitales de la fábrica en la nube para lograr una comunicación confiable entre humanos y máquinas? Aunque este 'modelo de dictador' parece una solución ideal para lidiar con situaciones complejas en la fábrica, hay dos advertencias: los competidores que trabajan en la misma fábrica no quieren compartir datos y un empleado humano necesita poder intervenir.

¿Y la segunda advertencia? La imprevisibilidad humana! Incluso si podemos operar una fábrica en la que intervienen los intereses comerciales de una sola parte, el escenario controlado centralmente se desmorona tan pronto como una persona camina por la fábrica; una persona con su propia autonomía y autoridad. Imagine, por ejemplo, que el empleado humano (el 'arquitecto creativo', como los llamamos anteriormente) se da cuenta de que un robot está haciendo algo mal y se involucra para rectificar la falla … En ese momento, todo el sistema se detendría, como El cerebro virtual habría perdido todo el control.

Por lo tanto, este modelo solo podría ser válido para instalaciones industriales que se centran en la producción de productos a granel, y donde el papel de los humanos es mínimo (o, a la larga, tal vez incluso inexistente).

Una nueva forma de inteligencia artificial: razonamiento complejo

En otras palabras: cada vez que el hombre y la máquina tengan que trabajar juntos, necesitaremos usar diferentes métodos para atender la imprevisibilidad humana y asegurar que los robots puedan anticiparlo.

“Un principio particularmente prometedor es el del 'razonamiento complejo', una nueva forma de inteligencia artificial que se puede usar para enseñar a las máquinas cómo razonar de manera autónoma y anticipar las acciones de algo (o alguien). Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que podamos poner en práctica el principio del razonamiento complejo ”.

Después de todo, la inteligencia artificial tal como la conocemos hoy en día se basa en el "aprendizaje profundo", una tecnología poderosa para reconocer patrones en grandes cantidades de datos. Mientras tanto, hemos dominado esta tecnología, por lo que ahora el objetivo es dar el siguiente paso y hacer que las máquinas se hagan la pregunta: "¿Cómo afectan mis acciones a las acciones de las personas que me rodean?"

Para complicar aún más las cosas, debemos incluir esta consideración adicional en la mezcla: en un entorno industrial, el requisito principal es la transparencia (para garantizar que se puedan cumplir los objetivos de producción).

Pero el aprendizaje profundo es en realidad lo opuesto a esto, es decir, una 'caja negra': entrenas al sistema para reconocer patrones, pero pierdes el control sobre cómo ese sistema llega a sus conclusiones.

Por lo tanto, un requisito adicional de razonamiento complejo es que debe ser lo suficientemente transparente (o 'explicable') para que la gente lo acepte, lo que significa que en el futuro hablaremos de 'IA explicable'.

Aprendizaje permanente: también para robots

En el período hasta 2035, el razonamiento complejo se convertirá en un nuevo tema de investigación estratégica, con equipos de todo el mundo estudiando cómo se deben desarrollar, implementar y optimizar los algoritmos subyacentes.

Además, nos enfrentaremos con la cuestión de cómo las máquinas pueden mejorar continuamente sus reacciones y formas de anticipar acciones. Esto significa que se deben desarrollar nuevos 'sistemas de recompensa' basados ​​en señales de retroalimentación implícitas y explícitas.

"Puedes apostar a que, en el futuro, el concepto de 'aprendizaje permanente' ya no solo se aplicará al hombre, sino también a las máquinas …"

¿Cómo está contribuyendo imec a este futuro?

Imec ocupa una posición de liderazgo mundial en varios de los dominios tecnológicos que impulsan la creación de industrias inteligentes: desde la investigación en logística inteligente e Internet de las cosas hasta la interacción hombre-máquina, dando sentido a los grandes datos, la creación de sistemas de sensores para aplicaciones industriales, tecnología de imágenes, etc.

Las preguntas que nuestros investigadores están tratando de responder incluyen:

• ¿Cómo podemos ayudar a las empresas a reducir los costos operativos (como el tiempo de producción y el consumo de energía) y ayudarles a resolver complejos acertijos logísticos, aprovechando algoritmos inteligentes?

• ¿Cómo podemos extender las ventajas de la tecnología holográfica 3D o los sistemas de visión inteligente a dominios como el entretenimiento inteligente y la fabricación inteligente?

• ¿Cómo podemos acomodar de manera óptima y segura la interacción hombre-máquina en entornos de producción?

• ¿Cómo podemos combinar sensores, actuadores y componentes electrónicos en chips pequeños y de potencia ultrabaja que continuamente adquieren datos sobre procesos de producción, almacenamiento y gestión de existencias?