Спросите любого, что приходит ему на ум при слове «робот», и вы наверняка получите ответы, основанные на поп-культуре. К примеру, T-1000 из жидкого металла, способный менять форму, из фильма «Терминатор 2: Судный день» (1991); или Оптимус Прайм, лидер автоботов, главный персонаж кинофраншизы «Трансформеры» (2007-). Кто может забыть Дэйту из сериала «Звёздный путь: новое поколение» (1987-94), кибернетическую версию Буратино, стремящегося стать более человечным?
Эти, и бесчисленное множество других примеров, содержат в себе неких гуманоидов. Когда Оптимус не находится в форме грузовика, у него есть ноги и руки. По умолчанию T-1000 имеет человеческую форму. Дэйту моделировали по образу его создателя-человека. По стандартам Голливуда, конечный вариант роботизированных технологий внешне нельзя будет отличить от самих людей.
И если наше воображение ничем не ограничено, технологические проблемы пока ещё не дают создавать в реальности роботов, идеально имитирующих поведение человека. И всё же я попыталась решить эту задачу. Мои познания в машиностроении позволили мне добиваться своей цели через разработку механизмов со сложными параметрами. Один из них был связан с проектированием симулятора двигательных мышц глаз. Нет, этот проект не был нужен для создания одного из компонентов терминатора; это была попытка понять и симулировать поведение человеческого глаза.
Для этого потребовалось придумать зрительную систему, совершающую саккадные движения – быстрые и одновременные движения обоих глаз в одном и том же направлении с максимальной скоростью более 500 градусов в секунду (да, люди на это способны). Механическая система, как и человеческие глаза, должна была работать по трём независимым осям вращения (степеням свободы, СС). Наши глаза умеют двигаться не только вверх/вниз или вправо/влево, но способны и на закручивающие движения. Было довольно сложно разместить все электрически и механические части системы, включая сочленения, связи и моторы, в заданном объёме. И всё это нужно было для всего одной, хорошо определённой задачи.
Затем последовало несколько других роботов, вдохновлённых человеком. И хотя я достигла поставленной цели, у моих роботов были ограничения. К примеру, я разработала роботизированную руку с 8 СС и кисть с 7 СС (весящие вместе 3,7 кг, что сравнимо с человеческими руками), и они получились достаточно гибкими, чтобы взять и бросить бейсбольный мяч, но не способны поднять монету. Они могут пожать руку с достаточно большой силой, но не способны достаточно проворно двигать большим пальцем.
Короче говоря, созданные мною конечности были ограничены в возможностях. У них было определённое количество сочленений и силовых приводов, что означает, что их функциональность и форма были загнаны в рамки с момента их изобретения. Роботизированная рука обладала моторизированными сочленениями, позволяющими ударить по мячу, но не имеющими возможности приготовить болтунью. Однако если есть бесконечное количество задач, потребуется ли для них бесконечное количество комбинаций роботов?
Мир безграничных возможностей, как тот, что описан в мультике «Big Hero 6» (2014), где есть микроботы, казался мне очень далёким, когда я осознала, что у нас уже есть гибкая и многогранная платформа для роботов. Метод использования одинаковых базовых компонентов для создания различающихся, определённых форм, существует столетиями. Он называется оригами.
Кто не делал бумажный самолётик, бумажный кораблик или журавлика из листочка бумаги? Оригами – существующая и многогранная платформа для дизайнеров. Из одного листа можно создать множество форм, а если они вам не понравятся, его можно развернуть и начать заново. Математики даже доказали, что можно получить любую трёхмерную форму, складывая двумерную поверхность.
Можно ли применить эту технологию к проектированию роботов? Представьте себе роботизированный модуль, способный использовать многоугольники для создания множества различных форм, множества роботов для решения разных задач. Более того, представьте себе «умный лист», способный самостоятельно складываться в любую нужную форму в зависимости от запросов окружения.
Первого робота оригами, которого я назвал «робогами», я сделала десять лет назад. Это было простое существо – плоский робот, способный складываться в пирамидку и раскладываться обратно в плоскую фигуру, а потом складываться в космический корабль.
Мои исследования, в которых мне помогают аспиранты и один постдок, с тех пор порядком продвинулись, и теперь выходит уже новое поколение робогами. Оно предназначено конкретным целям: к примеру, один из роботов может автономно передвигаться по различным поверхностям. На сухой и плоской поверхности он передвигается ползком. Если он встречает неровную поверхность, он будет катиться, активируя моторы в другой последовательности. Встретив препятствие, он сможет просто перепрыгнуть через него! Для этого он хранит энергию в каждой из ног, а потом выбрасывает её, катапультируясь подобно выстрелу из пращи.
Роботы даже умеют разбираться и собираться, в зависимости от окружения и задач. Робогами задуманы не как один робот для конкретной задачи – они с самого начала спроектированы и оптимизированы для выполнения различных задач.
И это только один робогами. Представьте, на что способны несколько робогами в группе. Они могут совместными усилиями решать более сложные задачи. Каждый модуль, в активном или пассивном режиме, может собираться в различные формы. Управляя складными сочленениями, они могут решать различные задачи в изменчивом окружении. К примеру, можно представить себе космос с непредсказуемыми условиями. Роботизированная платформа, способная меняться для выполнения различных заданий, может увеличить вероятность успешного выполнения миссии.
Радикальная геометрическая перестраиваемость робогами стала возможной благодаря двум научным прорывам. Один из них – послойный производственный процесс: несколько функциональных слоёв, содержащих роботизированные компоненты (микроконтроллеры, сенсоры, приводы, схемы и даже аккумуляторы) укладываются стопкой друг на друга. Второй – переход в дизайне от типичных механических сочленений в целый спектр складывающихся соединений.
Получается, что вместо того, чтобы концентрироваться на минимизации размера компонентов сочленений, мы можем уменьшить количество компонентов при разработке робота. Мы можем миниатюризировать системы, содержащие множество компонентов, и требующие сложного процесса сборки и калибровки, сделав их плоскими; их можно накладывать друг на друга, сохраняя точность работы.
Одна из таких систем – тактильное управление, когда пользователь и компьютер взаимодействуют через механизм типа джойстика. Его часто используют в хирургических роботах, когда хирургам требуется высокая точность и обратная связь высокого разрешения. Для этого приходится организовывать большую операционную комнату с роботизированными руками, обладающими большим количеством степеней свободы, и позволяющими хирургам чувствовать плотность органов и полостей при помощи моторизованного интерфейса, передающего разницу в воздействиях на эффектор робота.
Робогами делают тактильные технологии доступными, как никогда ранее. Такой интерфейс в случае робогами можно представить чем-то вроде складного джойстика, которым можно оснастить чехол смартфона. Если соединить тактильный интерфейс с телефоном, его можно будет использовать как портативный джойстик, применимый в таких повседневных задачах, как покупки или онлайн-обучение. Он позволит вам наощупь изучать различные органы человека по анатомическому атласу, географические особенности мест по карте, или даже плотность и зрелость разных видов сыров или фруктов.
Роботизированные технологии движутся к большей персонализации и адаптации к людям, и этот уникальный вид перестраиваемых роботов-оригами выглядит очень многообещающе. Он может стать платформой, обеспечивающей интуитивный и встраиваемый интерфейс. Роботы перестанут выглядеть персонажами фильмов. Они будут окружать нас, постоянно подстраивая свою форму и функции – а мы даже не будем замечать этого.
Автор: Вячеслав Голованов
