Mô hình quen thuộc là một chuỗi: cảm nhận, xử lý, hành động. Mô hình hiện thân thay nó bằng một vòng, và thay đổi nhỏ về hình vẽ này kéo theo thay đổi lớn về cách xây hệ thống.
Từ chuỗi sang vòng
Trong mô hình chuỗi, mỗi bước hoàn thành rồi mới chuyển sang bước sau. Cảm nhận thu thập dữ liệu đầy đủ, xử lý ra quyết định, hành động thực thi.
Mô hình vòng nói rằng hành động ngay lập tức thay đổi những gì cảm nhận được, nên không có điểm nào là bắt đầu hay kết thúc.
Ví dụ đơn giản: mắt liên tục di chuyển. Mỗi lần di chuyển làm thay đổi hình ảnh nhận được, và hình ảnh mới quyết định lần di chuyển tiếp theo. Không thể tách riêng phần nhìn khỏi phần điều khiển mắt.
Với robot, điều tương tự xảy ra khi tay chạm vào vật: tiếp xúc làm vật dịch chuyển, dịch chuyển làm cảm biến báo khác, và điều đó thay đổi lệnh tiếp theo. Cả ba diễn ra đồng thời chứ không nối tiếp.
Kiến trúc phản ứng trong robot
Nguyên lý này đã tạo ra một chuyển biến thật trong ngành robot vào cuối thế kỷ trước.
Trước đó, kiến trúc chuẩn là: dựng bản đồ đầy đủ, lập kế hoạch trên bản đồ, thực thi kế hoạch. Cách này gặp hai vấn đề nghiêm trọng — bản đồ luôn lỗi thời, và việc lập kế hoạch quá chậm so với thế giới đang thay đổi.
Kiến trúc thay thế bỏ hẳn bản đồ trung tâm. Thay vào đó là nhiều tầng hành vi đơn giản chạy song song, mỗi tầng nối cảm biến trực tiếp với cơ cấu.
Một tầng lo tránh va chạm. Một tầng lo đi tới. Một tầng lo khám phá. Các tầng có thứ tự ưu tiên, và tầng cao hơn có thể can thiệp vào tầng thấp.
Kết quả gây bất ngờ vào thời điểm đó: các robot xây theo cách này hoạt động ổn định hơn hẳn trong môi trường thật, dù không có mô hình nào về thế giới.
Hành vi phức tạp từ quy tắc đơn giản
Một quan sát đi kèm: hành vi trông có vẻ thông minh có thể nảy sinh từ vài quy tắc rất đơn giản khi tương tác với môi trường phức tạp.
Ví dụ kinh điển là một cơ cấu chỉ có hai quy tắc — quay về phía có ánh sáng, và tránh vật cản — nhưng đường đi của nó trông như đang tìm kiếm có mục đích.
Bài học: phần lớn độ phức tạp của hành vi đến từ môi trường, không từ bộ điều khiển.
Điều này gợi một nguyên tắc thiết kế rất hữu ích: trước khi xây một bộ điều khiển phức tạp, hãy thử xem một bộ đơn giản tương tác với môi trường thật cho ra hành vi gì. Kết quả thường tốt hơn dự đoán.
Giới hạn của cách tiếp cận thuần phản ứng
Cần nói rõ phần này để không rơi vào cực đoan ngược lại.
Không lập kế hoạch dài hạn được. Một hệ thuần phản ứng không thể thực hiện nhiệm vụ đòi nhiều bước có thứ tự, vì nó không giữ trạng thái về việc đang ở bước nào.
Khó gỡ lỗi. Khi hành vi nảy sinh từ tương tác giữa nhiều tầng và môi trường, việc truy nguyên vì sao nó làm điều gì đó rất khó.
Không tận dụng được tri thức có sẵn. Nếu đã biết bố cục của toà nhà, việc bỏ qua thông tin đó là lãng phí.
Vì vậy các hệ thống hiện nay hầu hết là kiến trúc lai: tầng phản ứng nhanh lo an toàn và các tình huống tức thời, tầng lập kế hoạch chậm hơn lo trình tự nhiệm vụ, và có bộ nhớ về môi trường nhưng không phụ thuộc hoàn toàn vào nó.
Nguyên tắc rút ra cho thiết kế
Ba điều đáng giữ từ nhánh này.
Vòng nhanh nhất phải nối trực tiếp. Các phản ứng cần tức thời — dừng khi chạm, tránh khi có vật — không nên đi qua tầng suy luận. Đây cũng chính là nguyên tắc tách lớp an toàn đã bàn ở nhiều nơi.
Đừng dựng mô hình đầy đủ nếu không cần. Hỏi xem nhiệm vụ thật sự cần biết gì, thay vì mặc định phải biết mọi thứ.
Thử bản đơn giản trước. Với nhiều bài toán, một bộ điều khiển đơn giản trong môi trường được sắp xếp hợp lý cho kết quả tốt hơn một bộ phức tạp trong môi trường lộn xộn.
Điểm cuối lặp lại một chủ đề xuyên suốt: sửa môi trường thường rẻ hơn sửa bộ điều khiển.
Câu hỏi thường gặp
Kiến trúc phản ứng có còn dùng trong robot hiện nay không?
Có, nhưng thường là một tầng trong kiến trúc lai chứ không phải toàn bộ hệ thống. Các phản ứng cần tức thời như dừng khi chạm hoặc tránh vật cản vẫn được nối trực tiếp từ cảm biến tới cơ cấu, không đi qua tầng suy luận.
Vì sao bỏ bản đồ trung tâm lại giúp robot ổn định hơn?
Vì bản đồ luôn lỗi thời so với thế giới đang thay đổi, và việc lập kế hoạch trên bản đồ đầy đủ quá chậm. Phản ứng trực tiếp với những gì cảm biến đang báo tránh được cả hai vấn đề đó.
Hành vi nổi lên là gì?
Là hành vi phức tạp nảy sinh từ tương tác giữa các quy tắc đơn giản và một môi trường phức tạp, mà không được lập trình trực tiếp. Nó cho thấy phần lớn độ phức tạp quan sát được đến từ môi trường chứ không từ bộ điều khiển.
Vì sao hệ thuần phản ứng khó gỡ lỗi?
Vì hành vi không được mô tả ở bất kỳ chỗ nào trong mã mà nảy sinh từ tương tác giữa nhiều tầng và môi trường. Khi hệ làm điều bất thường, không có một dòng lệnh nào để chỉ vào, nên phải tái hiện lại toàn bộ bối cảnh.
Đọc thêm trong Học từ tương tác và Không gian, thời gian & vật lý trực giác.
