Z FI do Bostonu a Stockholmu: Spojení teorie a praxe ve formálních metodách pro robotiku

Autorka: Klára Petrovičová pro fi.muni.cz

Jak se přes lásku k matematice dostat k výzkumu v oblasti robotiky? Jana Tůmová se díky aktivnímu zapojení v laboratoři na FI a mezinárodním stážím stala odbornicí na formální metody pro robotiku. V rozhovoru pro FI vysvětluje, jak ji lákaly struktury a principy teoretické informatiky a jak se tyto poznatky uplatnily ve výzkumu paralelních systémů a distribuovaných procesů. Později se Jana Tůmová zaměřila na multirobotické systémy a bezpečnost, ve spolupráci s vědci z MIT a v Stockholmu. Právě spolupráce s předními výzkumníky v zahraničí a práce s různými druhy robotů ji přivedla k vedení vlastní výzkumné skupiny.

Jaká byla Vaše cesta k informatice a k FI?

Vždycky jsem měla ráda matematiku, kterou jsem chtěla i jít studovat. Okolí mě od toho odrazovalo a doporučovalo jít spíše na informatiku, se kterou nebudu mít starost o pracovní místo. Tak jsem šla na informatiku, ale i tak to skončilo tak, že jsem si vybírala předměty spojené s matematikou, tedy především ty z teoretické informatiky.

Čím Vás tehdy nejvíce teoretická informatika zaujala?

Kromě toho, že měla velmi blízko k matematice, tak mě velmi bavily její struktury, principy a důkazy. Líbilo se mi, že to celé fungovalo a že pro to byl jasný důvod.

Byla jste hned rozhodnutá, že půjdete na PhD?

Ne. Spíš jsem si myslela, že půjdu někam do průmyslu. Ale měla jsem štěstí, že jsme byli užší skupina, která se potkávala na přednáškách a cvičení, a někteří z této skupiny řekli, že půjdou pracovat do labu. Mně se ta myšlenka, přičichnout k výzkumu, strašně líbila a do teď tuto možnost považuji za velké plus FI. Bakaláři a magistři mají možnost se v labech zapojit do vědecké práce. Díky tomuto je pak rozhodnutí, jestli jít na PhD nebo ne, daleko jednodušší. Když jsem se v tomto procesu zamilovala do výzkumu, věděla jsem, že chci jít na PhD.

Co jste v té době v labu zkoumala?

Byla jsem v labu Luboše Brima, Ivany Černé a Jiřího Barnata a zkoumali jsme paralelní a distribuované systémy. Tehdy to byl především model checking Markovových řetězců a Markovových rozhodovacích procesů s lineárními temporálními vlastnostmi. V této době to bylo docela nové, protože se pracovalo především s logikou větvícího se času (branching-time logic), ale my jsme šli do té lineární.

Využíval se Váš výzkum potom i v praxi?

Celé zavedení do praxe byl v podstatě i důvod, proč jsem šla do zahraničí, protože se nám ozval profesor Calin Belta, který dělal robotiku a teorii řízení a hledal někoho, kdo by uměl LTL a Markovovy rozhodovací procesy. Tehdy hledal někoho, kdo by se těmto oblastem věnoval a kdykoliv je zadal do Googlu, tak mu vyskočila práce naší skupiny. Takže nám, tedy Jiřímu Barnatovi, nakonec napsal e-mail, že by chtěl přijet na návštěvu a pobavit se o těchto tématech v kontextu robotiky. Během jeho návštěvy našeho labu se mě zeptal, jestli bych nechtěla jet na stáž do Bostonu. Nemusela jsem se ani moc rozhodovat a hned jsem souhlasila. V té době se pro mě všechno zlomilo.

Témata, která jsme na FI zkoumali, souvisely s robotikou spíše nepřímo, ale spoustu příbuzných technik, které se z nich vyvinuly, nám tam sedly.

Do Bostonu jste jela během PhD?

Ano, jela jsem už v prváku na 4 měsíce. Spolupráce byla úspěšná, takže jsme ji prodloužili ještě asi o 2 měsíce a následně si požádali na FI o grant, ze kterého jsme uhradili moje působení v Bostonu na další půlrok. Během toho mě vzal Calin Belta na MIT, kde jsme začali další spolupráci, a tak jsem na MIT působila další 4 měsíce. Spolupráce šla taky dobře a tak si mě sebou vzali ještě do Singapuru. Tam jsme byli součástí menšího projektu na aplikaci našeho výzkumu na autonomním autě, což bylo tehdy v roce 2013 v podstatě golfové vozítko, které mělo autonomní software. Podařilo se nám na něj dostat formální metody, což byl pro mě velmi přesvědčivý moment, proč zůstat v akademii. Přesto, že děláme teoreticky zajímavé věci, můžeme dostat zpětnou vazbu z aplikace na konkrétní věci.

Nechtěla jste potom zůstat na PhD v zahraničí?

Ne, chtěla jsem se vrátit do Česka, což mělo několik důvodů. Jeden byly rodinné vazby, protože přítel zůstal v Česku. Další důvod byl, že jsem tady měla podporu na věci, které jsem potřebovala, například na technické znalosti v oboru, které mi pomohly donést zajímavé výsledky do jiných oblastí. Tato fakulta mi dala veliké znalosti a způsob myšlení o věcech, které využívám dodnes, takovou možnost bych jinde neměla. Tady jsem byla doma a jezdila na výjezdy, díky kterým jsem získala spoustu kontaktů, které využívám do teď, zatímco kdybych přešla na PhD do zahraničí, tak bych byla v jednom labu a neměla možnost si vyzkoušet tolik věcí jako tady z mojí pozice.

Jaká byla Vaše cesta po doktorském studiu?

Sice jsem měla vizi, že bych zde zůstala i na postgraduál, ale pak se mi ozval jeden člověk, profesor Dimos Dimarogonas, ze Stockholmu, který hledal někoho s mými znalostmi. Co já jsem dělala v kontextu robotických systémů a plánování pro jednoho robota, tak on chtěl využít pro více robotů. Moje znalosti tedy mohly být využity, ale zároveň tam byl aspekt naučit se něco nového tedy multirobotické systémy.

Na začátku jsem měla vizi, že půjdu do Stockholmu maximálně na rok a pak si někde najdu práci jako assistant professor (odborný asistent). Ale to tak úplně nedopadlo (smích). Chtěli jsme zůstat v Evropě, kde je systém nastavený tak, že člověk potřebuje postgraduální zkušenosti minimálně 2–3 roky, než bude připravený na vedení své vlastní výzkumné skupiny. Ačkoliv jsem si to tehdy nemyslela, tak teď vím, že je opravdu toto postgraduální působení důležité. Člověk se může trochu více porozhlédnout, protože necítí tlak disertace, a zároveň se naučit novým věcem, které se nenaučí během PhD, jako je psaní grantů, vedení studentů a projektů, psaní projektových zpráv, přednášení. Člověk si pak začne uvědomovat o čem pozice odborného asistenta bude. Přesně tak jsem pokračovala i já jen na jiné fakultě a katedře. V té době jsem odešla od mého postgraduálního školitele a začala budovat svoji vlastní skupinu.

Učila jste tehdy i nějaké předměty?

Postgraduálním studentům se většinou nedávají větší přednášky, protože hrozí, že odejdou a neměl by je kdo převzít, takže jsem jen přednášela pár přednášek z různých předmětů. Když jsem nastoupila na pozici asistent profesora, tak jsem rovnou dostala velký kurz umělé inteligence. Na začátku jsme měli 350 studentů, o rok později 450, a další už 550, protože téma umělé inteligence začalo být pro všechny zajímavé a kurz začal růst.

Jakým tématům se Vaše skupina věnovala?

Především formálním metodám pro robotiku, takže pořád těžím ze znalostí, které jsem načerpala tady a ze zkušeností, které jsem získala v zahraničí a během postgraduálu. Ale našla jsem si vlastní úhel pohledu na toto téma, kterým jsem se snažila vyčlenit ostatním pohledům. Čemu se především věnujeme je risk aware planning (pozn. redakce: plánování s ohledem na risk) pomocí formálních metod, kde bereme ohled na to, že svět je velmi nejistý a že je těžké mít stoprocentní garance. Druhé téma je porovnání provable safety a perceived safety, tedy bezpečnost systému, kterou můžeme dokázat pomocí formálních metod a vedle toho bezpečnost systému, která je vnímána lidmi, kteří se systémem interagují. Tato práce vznikla ve spolupráci s kolegyní Iolandou Leite, která pracuje v oblasti sociální robotiky a věnuje se té části perceived safety, my se zabýváme provable safety. Jednou jsme si spolu sedly, bavily se o bezpečnosti a zjistily jsme, že na to máme kompletně jiný pohled. Shodly jsme se, že by bylo dobré, aby to, co my umíme dokázat, šlo převést prostřednictvím systému tak, aby tomu člověk mohl důvěřovat přesně do této hladiny do které má, ne víc a ne míň.

S jakými roboty například pracujete?

Moje katedra zahrnuje robotiku, vnímání ve smyslu vidění a sémantické interpretace toho, co robot vidí, a učení. Máme roboty, kteří „žijí“ pod vodou, roboty kteří létají, humanoidy, kteří nevypadají úplně jako lidi, ale třeba takové, co sedí na letišti a řeknou vám kudy jít. Máme malé mobilní roboty, kteří mohou jezdit všemi směry, pak máme i malá auta, která nemohou otočit kolečka všemi směry. Nově budujeme lab vesmírné robotiky, takže máme platformu, ve které roboti budou pracovat v mikrogravitaci a vznášet se na hladině vzduchu. Základem naší práce jsou roboti, kteří fyzicky interagují s okolním světem. Celou inteligenci musíme přenést na fyzický systém, který musí něco chytit, něco někam donést. V simulacích nám funguje vždycky vše, ale robot pak nedělá co chceme (smích).

Stavíte si roboty sami?

Sami si je nestavíme, ale často je robota potřeba adaptovat. Například přidat nějaký senzor nebo aktuátor. Tyto drobné úpravy si děláme, ale většinou roboty kupujeme jako hotový systém, zejména ty, kteří interagují s lidmi. Na ty se chceme spolehnout a chceme aby i dobře vypadali. Na těchto robotech neděláme state of the art (nejmodernější) výzkum robotických schopností, ale typicky mají fyzická omezení a podle toho, kam je chceme nasadit si je upravujeme.

Nabízíte nějaké předměty, kde se studenti s roboty učí?

Máme celý magisterský obor, který se nazývá Systems, Control and Robotics (Systémy, Řízení a Robotika), kde je první předmět Úvod do robotiky. Studenti se seznámí s tím jak robotika a celý systém funguje. Mají také povinné projektové předměty, které vyžadují práci s robotem. Například jeden můj kolega rozdává robota, který se jmenuje crazyflie, což je malinký dron, a nechává je si s nimi pohrát, přičem se studenti učí počítačové vidění, vnímání a ovládání.

Učí se tito studenti i formální metody?

Ano, ty se učí právě v mém kurzu, který jsem si tam nasadila (smích). Samozřejmě se snažím učit o vědě, kterou děláme. Formální metody v robotice nejsou mainstream téma, důležité je, aby se robot hýbal a garance docela často přichází později. My se snažíme na tyto formální metody myslet už od začátku při designu systému.

Jaké další kurzy učíte?

Umělou inteligenci, Plánování a řízení robotických systémů, vedu bakalářské a magisterské práce a předmět s názvem The Sustainable Systems and Control Engineer, kde se potkávají studenti z programu a diskutují o různých tématech tak, aby z nich vyrostli uvědomělí inženýři, kteří ví, že existuje něco jako etika, otázky genderu a sexuálního obtěžování. V rámci tohoto předmětu studenti také dělají rozhovory s absolventy, aby se dozvěděli, jak mohou pracovat a kam mají pokračovat. V tomto kurzu se studenti nenaučí nic moc nového, ale za to je donutí přemýšlet nad věcmi, nad kterými nepřemýšleli a dávají jim rozhled.

Jaké vidíte rozdíly mezi univerzitami v Česku a ve Švédsku?

Ve Švédsku se oproti Česku daleko víc dbá na témata jako je sustainability (udržitelnost), globální oteplování, recyklace, rovnost mezi pohlavími a diverzita. Tím, že se tato témata řeší ve Švédsku, tak se promítnou i do politiky univerzity a jsou pro ni velmi důležitá. Ve Stockholmu je obrovská možnost realizace v průmyslu zvlášť v oborech jako je Machine Learning (Strojové učení). Většina diplomových prací je ve Švédsku dělaných v průmyslu a je na ně výběrové řízení. Mimo to je například na FI zapojení studentů do labů daleko větší, zejména co se týče bakalářských a magisterských studentů.

To, co mi umožnilo si vybudovat vědeckou kariéru je, že ve Švédsku je obrovská podpora kariéry žen a rozdělování si dětí mezi partnery rovnoměrně. Mateřská dovolená trvá 450 dní, z čeho je 60 rezervovaných pro partnera. Byla jsem půl dne v práci a půl dne s dětmi a manžel taky. To mi umožnilo nikdy moc nevypadnout z pracovního tempa a neztratit základní momentum. Toto by v Česku nebylo možné a kdybych tady mohla něco změnit tak je to toto. Příležitost pro ženy udělat si to takto, pokud to takto chtějí. Takových příležitostí tady vidím hodně málo a vidím, že tatínci na otcovské nejsou standard, a podobně.

Kde se vidíte za 5 let?

Ideálně tam, kde jsem. Strávila jsem 6–7 let na budování své výzkumné skupiny do té míry, abych s ní byla spokojená a řekla si, že tohle je moje vize, moje skupina, tohle je to, kdo jsem jako vědec. Jsem ve chvíli, kdy jsem se čerstvě vrátila z mateřské a teprve teď mám pocit, že to všechno funguje, jak má. V následujících 5-ti letech bych si chtěla především udržet velikost své skupiny, soustředit se na vědu a udělat něco pěkného, co funguje, a já vím proč.