V reakci na vypuštění sovětské umělé družice Sputnik, ke kterému došlo v říjnu 1957, začala ve Spojených státech debata o ztrátě technologické nadřazenosti, kterou si USA během 2. světové války vybudovaly. Ztráta atomového tajemství, prudký rozvoj raketové techniky za železnou oponou a přenesení technologického souboje do vesmíru donutil americké úřady jednat.
Již na začátku roku 1958 tak vláda prezidenta Eisenhowera nařídila vytvořit pod americkým ministerstvem obrany speciální agenturu pro výzkum pokročilých vojenských technologií a forem boje. Organizace ARPA (Advanced Research Projects Agency) stála v průběhu let za řadou pokročilých vojenských programů, výrazně například napomohla vzniku internetu, když od konce šedesátých let provozovala jeho přímého předchůdce ARPANET.
Air Combat Evolution
Před časem zahájila organizace DARPA (přejmenovaná v roce 1972 a pak znovu v roce 1996) program nazvaný Air Combat Evolution („Vývoj leteckého boje“), v jehož rámci zkoumá budoucí formy leteckých soubojů. Jednou ze součástí programu je také výzkum zapojení umělé inteligence, která má napomáhat pilotům během bojových operací od nejjednodušších manévrovacích soubojů jeden na jednoho (tzv. „dogfight“, doslovně přeloženo „psí souboj“, ve kterém se dva piloti pokouší navzájem vymanévrovat a dosáhnout pozice vhodné k zahájení palby) až po složité letecké operace se zapojením většího množství letounů na obou stranách.
Program pro vytvoření umělé inteligence schopné zvítězit v manévrovacím souboji byl pod názvem AlphaDogfight Trials odstartován v roce 2019 (více o něm v tomto článku). DARPA do něj přizvala osm týmů z firem různých velikostí, které se výzkumem umělé inteligence zabývají.
Šlo o týmy Aurora Flight Sciences, EpiSys Science, Georgia Tech Research Institute, Heron Systems, Lockheed Martin, Perspecta Labs, PhysicsAI a SoarTech. Každý z týmů dostal za úkol napsat program, který bude schopen se učit z proběhlých leteckých soubojů a získané poznatky pak zcela autonomně proměnit v taktickou výhodu při ovládání bojového letounu F-16 Fighting Falcon během dogfightu za použití jen a pouze palubního kanónu.
Propagační koláž k soutěži AlphaDogfight Trials
Zástupci zbrojovky Lockheed Martin po skončení programu novinářům řekli, že vytvořit software, který je schopen uspět ve vzdušném souboji, je něco zcela jiného než naučit software pouze létat, udržovat směr, nadmořskou výšku a rychlost. Software na začátku nerozumí ani leteckým základům, což ho ze začátku proti jakémukoli lidskému pilotovi velmi znevýhodňuje.
„Člověka nemusíte učit, že nesmí narazit do země,“ řekl Lee Ritholtz, ředitel a šéfarchitekt týmu pro výzkum umělé inteligence. „Člověk má základní instinkty, ale algoritmus ne. To znamená, že program bude na začátku hodně „umírat“. Matt Tarascio, viceprezident Lockheed Martin pro výzkum umělé inteligence, lakonicky dodává: „Je to jako když do kokpitu posadíte malé dítě.“
Programy tak bylo nutné například naučit, že každý manévr má svoje následky, které mohou být i negativní, přitom ale jednotlivé následky nemusí být rovnocenné. Umělá inteligence tak postupným trénováním musí zjistit „náklady“, které sebou v dané situaci ten který manévr přinese, čímž získává zkušenost, kterou může později využít.
Lee Ritholtz ze zbrojovky Lockheed Martin v této souvislosti později poodhalil dilema, které před vývojáři stálo: „Napíšete program tak, aby čerpal ze zkušeností člověka, čímž však omezíte umělou inteligenci, nebo necháte stroj, aby se sám učil metodou pokus-omyl? O tom jsme uvnitř týmu vedli dlouhé debaty. Nakonec jsme zjistili, že když se snažíte program něco učit, ve finále omezíte jeho výkony. Správná cesta je nechat ho učit se metodou pokus-omyl.“
Řada týmů měla za poradce skutečné bojové piloty a vývojáři nezastírali, že své programy trénovali i na mnoha počítačích najednou. Ben Bell, vedoucí inženýr strojového učení ve společnosti Heron Systems, uvedl, že jejich program prošel nejméně čtyřmi miliardami simulací a získal alespoň „dvanáct let zkušeností“.
Organizátor přitom neumožnil programům, aby se učily ze soubojů s ostatními účastníky. Všem týmům muselo k vítězství stačit to, co se umělá inteligence naučila do zahájení soutěže. Některé firmy to označovaly za nefér. DARPA tím však zjevně chtěla zajistit, aby účastníci nenechali svoje programy trénovat na přednostech i chybách ostatních, ale aby dodali programy skutečně plně autonomní.
Boje probíhaly samozřejmě virtuálně. V prvním kole programy všech zúčastněných létaly proti dříve vytvořené umělé inteligenci „Red Air“ z laboratoře aplikované fyziky Univerzity Johnse Hopkinse, která na projektu spolupracuje. Ve druhém kole pak formou souboje každý s každým DARPA vybrala čtyři nejlepší. Ti se ve třetím kole utkali mezi sebou o možnost postavit se ve finále skutečnému pilotovi ze Školy bojových pilotů amerického letectva (obdoba TOP GUN amerického námořnictva).
Na druhém místě v soubojích umělých inteligencí skončil tým zbrojovky Lockheed Martin, na prvním pak program vývojářů společnosti Heron Systems. Ti tak získali šanci postavit svou umělou inteligenci proti skutečnému bojovému pilotovi s volacím znakem „Banger“.
Velké finále
Finále mezi vítěznou umělou inteligencí a pilotem F-16 se mělo původně odehrát v technologickém akcelerátoru amerického letectva AFWERKS v Las Vegas, nakonec se však kvůli omezením, daným koronavirovou pandemií, odehrálo na Univerzitě Johnse Hopkinse v Marylandu. Většina se ho přitom vysílala online. Pilot měl k dispozici přilbu na virtuální realitu tak, aby mohl sledovat okolí stejně, jako v reálném letounu, a seděl v ergonomické sedačce se základními ovládacími prvky (plyn, knipl) rozvrženými tak, jak jsou umístěny v letounu F-16.
Diváci na obrazovce viděli jak pilotův obraz z virtuálních brýlí, tak také tzv. „tacview“, pohled, ve kterém jsou pohyby obou letounů znázorněny v prostoru stejně, jako například v počítačové hře, a divák tak má skvělý přehled o situaci na bojišti (tento pohled však pilot samozřejmě nemá). Vše bylo doplněno záběrem na samotného pilota.
Ukázka rozhraní, přes který diváci sledovali souboj „umělé inteligence“ a lidského stíhacího pilota. V podstatě velmi podobně to viděl i počítač, který měl dokonalé situační povědomí a v každou chvíli dokonale znal letové parametry soupeřova stroje.
Oba letouny začínaly jako v tradičním dogfightu tzv. head-onem, tedy vstřícným průletem ve výšce zhruba pět tisíc metrů při rychlosti cca 600 km/h, kdy se letouny míjejí a pak točí. V dalších kolech se nadmořská výška začátku souboje měnila, nicméně oba letouny začínaly na stejné letové hladině, aby ani jeden z nich neměl podstatnou výhodu.
Od prvního dogfightu bylo zjevné, že lidský pilot je zdravě agresivní a snaží se velmi aktivně dostat do lepší střelecké pozice. V pohybu obou letounů byly přitom vidět jisté rozdíly, kdy lidský pilot dělal těžší manévry s vyšším přetížením, zatímco pohyb letounu, řízeného umělou inteligencí, byl výrazně plynulejší a propracovanější.
Z toho plynula první zásadní výhoda, kterou se letci během výcviku boje na krátkou vzdálenost učí. Pilot musí dobře vážit mezi agresivitou manévrování a výkonem. Čím ostřejší je manévr, tím více energie letoun ztrácí a tím pomaleji letí. Jakkoli jsou moderní letouny vybavené velmi silnými motory, po několika ostrých otáčkách i tak agilní letoun, jakým je F-16 Fighting Falcon, může ztratit rychlost, energii a tím schopnost dalšího manévrování, přičemž v krajním případě může dojít až k nekontrolovanému pádu.
První kolo souboje lidského pilota s umělou inteligencí trvalo 81 sekund. Přestože se lidský pilot opakovaně dostal do dobré střelecké pozice, jeho letoun byl v průběhu souboje postupně třikrát virtuálně zasažen a nakonec zničen.
Druhý souboj trval 59 sekund a i jeho průběh byl velmi jednoznačný. Třetí souboj vypadal vyrovnaněji, lidský pilot však zjevně doplácel na nedostatečné situační povědomí o okolí letounu, kdy několikrát promarnil šanci získat dobrou střeleckou pozici.
V tom se ukázala další výhoda umělé inteligence. Zaprvé má dokonalý „výhled“ z letadla a v každou chvíli zná přesné parametry protivníkova letounu. Na rozdíl od člověka ji také nezatěžuje složitá biologická koordinace všech činností, zejména ovládání letounu v kombinaci s pozorováním okolí. V této souvislosti by bylo zajímavé sledovat, jak by dopadl souboj dvoumístných strojů, kde se operátor zbraňových systémů, sedící v zadní pilotní kabině, během souboje na krátkou vzdálenost zpravidla soustředí na vyhledávání cílů a pilot na samotné manévrování.
Lepší střelec?
Čtvrtý souboj skončil po 53 sekundách opět vítězstvím umělé inteligence, přičemž stejně jako v předchozích dvou případech došlo k prvnímu těžkému zásahu pilotova stroje již kolem 20. sekundy a zbytek souboje vyplnila převážně Bangerova obrana.
Už zde však byla vidět jistá změna taktiky, protože se Banger snažil spíše vyhýbat head-on soubojům, při nichž proti sobě letouny letí vstřícně a mohou na sebe pálit zároveň. Důvodem byl zřejmě největší rozdíl, který se při testu objevil mezi umělou inteligencí a pilotem. Šlo o míření.
Zatímco pilotovi dělalo problémy zasáhnout protivníkův stroj, umělá inteligence, pro níž není dobré míření otázkou senzorickou a motorickou, ale pouze matematickou, zaměřovala s naprostou jistotou – alespoň tedy v nedokonalém prostředí simulátoru.
V reálu dnes američtí vojenští letečtí instruktoři čelní souboje své svěřence prakticky neučí. Pravděpodobnost zásahu je příliš malá, pokud je „u kniplu“ člověk. (Dodejme, že čelní střety jsou z pohledu člověka při vyšších rychlostech také dosti riskantní kvůli možnosti srážky. Umělá inteligence v tomto případě zatím neměla žádný pud sebezáchovy.)
Pokud by to počítač dokázal změnit, musela by se změnit i taktika leteckých soubojů. Ovšem použitý simulátor nebyl tak podrobný, aby na tuto otázku zcela přesně odpověděl. Zjednodušeně řečeno neurčoval dráhu každé jednotlivé kulky. Pouze to, zda soupeřův letoun je v určité výseči před předkem letounu.
Pokud by se v praxi opravdu ukázalo, že počítače umí mířit výrazně lépe, byl by to zřejmě jeden z jejich největších možných přínosů pro letecké souboje nedaleké budoucnosti. Jakkoli se většina dnešního leteckého boje odehrává mimo přímou viditelnost za pomoci řízených střel s doletem desítek kilometrů, při klasickém manévrovacím souboji může počítačové doměřování hrát velmi podstatnou roli.
Vraťme se ovšem ještě k souboji samotnému. Před pátým soubojem moderátoři požádali Bangera, aby krátce okomentoval dosavadní souboj. „Zjišťuji, že normální věci, které jako stíhací piloti děláme, najednou nefungují,“ řekl jim. Dodal, že se do pátého souboje pokusí něco změnit, protože v dosavadních soubojích často ztrácel „život“ již po první otočce.
Do pátého souboje Banger skutečně výrazně změnil taktiku. Vyhnul se první zteči umělé inteligence a klesáním ve spirále nabral vysokou rychlost, kterou chtěl zužitkovat bojem s vysokým přetížením, ve kterém měl v předchozích kolech umělý protivník menší problémy. Nakonec však ani tato taktika plně nezabrala a ačkoli se souboj protáhl na trojnásobek času, lidský pilot s umělou inteligencí i popáté prohrál.
Záznam soubojů si můžete prohlédnout na YouTube (video se spustí těsně před začátkem prvního souboje):
Co bude dál?
Timothy Grayson, ředitel kanceláře pro strategické technologie v DARPA, popsal skončené testy jako vítězství myšlenky týmové spolupráce člověka s technikou, což je věc, o které organizaci DARPA od začátku šlo. „Myslím, že to, co dnes vidíme, je začátek něčeho, čemu budu říkat symbióza člověka a stroje. Představme si, že by člověk seděl v kokpitu a jeden z těchto algoritmů by ho doplňoval, aby fungovali jako jeden zbraňový systém, kde se člověk zaměřuje na to, co mu jde nejlépe – například strategické myšlení na vyšší úrovni – a umělá inteligence dělá to, co umí nejlépe ona.“
První fáze programu Air Combat Evolution tedy skončila. Soutěžící vytvořili umělé modely a DARPA ve spolupráci s akademickou sférou nasimulovala její použití. Ve druhé fázi programu bude výzkum pokračovat již mimo virtuální prostředí na leteckých modelech. Finále ACE pak bude zahrnovat ovládání plnohodnotných bojových letounů.
