Кожаные не только люди: Как андроиды обретают чувство осязания и чем это поможет нам

Кожа защищает людей от вирусов и бактерий, помогает не перегреться и приспособиться к условиям окружающей среды. На первый взгляд может показаться, что роботам, в отличие от нас, всё это не слишком нужно. Но это только на первый: хотя люди создают роботов под узкие задачи, механическая «кожа» с каждым годом становится всё сложнее.

В статье расскажем, зачем люди работают над «кожей» андроидов, из чего её делали раньше и сейчас и чем это полезно для человечества.

Зачем люди работают над «кожей» андроидов

У людей кожа выполняет одновременно несколько функций, которые сложно воспроизвести. С роботами сначала всё было гораздо проще: достаточно, если робот выглядит неплохо, ведь внешность — не главное.

Всё изменилось, когда на рынок вышла компания Westinghouse, которая использовала роботов для рекламы своего бренда и популяризации робототехники.

О массовом производстве роботов такого типа тогда речи не шло: они всё ещё были неуклюжими, не слишком полезными в хозяйстве и очень дорогими. Однако свою функцию — сделать компанию Westinghouse  известной — они выполнили блестяще.

Другая, научно-прикладная причина: не все задачи роботы могут выполнять, опираясь только на внутренние программы. Чтобы обучить их сложным действиям, необходимо наделить их осязанием, то есть сделать их восприятие как можно ближе к человеческому. После этого возможности андроидов возрастут в несколько раз. Они станут гораздо ловчее и смогут делать почти всё, что умеют люди. Сборка мелких деталей, уход за больными, работа с хрупкими вещами - теперь им по плечу. Андроиды будут чувствовать, что трогают, и действовать осторожно или сильно, как нужно. В общем, они станут намного полезнее и удобнее в использовании.

Механические и металлические: из чего делали первую «кожу» андроида

Сначала покрытие роботов не отличалось разнообразием: чаще всего использовали тот или иной тип металла. Чуть позже появились роботы с «кожей» из резины и синтетических материалов. Ниже — примеры, как всё это выглядело в жизни.

Деревянная и металлическая «кожа»: брат и сестра Телевоксы и робот-кондуктор

Один из первых андроидов — Герберт Телевокс ^[2], которого изобрёл Рой Джеймс Уэнсли из компании Westinghouse. В имени робота обыграли латинское слово «vox», то есть «голос». Робота создали в 1927 году, а устройства, на основе которых он работал, Уэнсли запатентовал в 1929 и 1930 годах.

Сначала Герберт Телевокс умел только отвечать на звонки. Позднее его взяли на работу в водохранилище и научили сообщать коллегам-людям об уровне и скорости воды.

Покрытие Телевокса было изготовлено из дерева и металла, а неказистый внешний вид компенсировали масштабными рекламными кампаниями.

В 1930 году у Герберта появилась «сестра»: компания Westinghouse выпустила ещё одного робота, Катрину Ван Телевокс ^[3]. Достоверных сведений о типе покрытия найти не удалось, однако, скорее всего, оно было примерно таким же, как у «брата»: дерево и металл.

Катрина умела ^[4] отвечать на телефонные звонки, включать пылесос и делать кофе. Стоимость, по тем временам, была почти космической: 22 000 долларов.

Другой пример — советский андроид-кондуктор ^[5], которого создали в 70-е годы ^[6] дети в Калининграде. Был сделан из алюминия, то есть «кожа» была полностью металлической. 

Андроид работал в автобусе, который развозил ребят в детские сады. Умел принимать оплату и выдавать билеты, поворачивать голову, мигать, объявлять остановки, рассказывать сказки и поддерживать разговор. Неважно, что на «вольную тему» с маленькими пассажирами общался водитель через встроенный в конструкцию микрофон: всё остальное робот умел сам.

Резиновая «кожа»: андроид Растус

Андроид Растус ^[7] появился в 1930 году, тоже в компании Westinghouse. За счёт резинового покрытия выглядел более реалистичным, чем Телевоксы. Умел вставать, садиться и даже поддерживать разговор. Правда, ему нужны были подсказки: реплики и команды запускались, когда кто-то направлял луч света на тот или иной фотоэлемент.

Синтетическая «кожа»: японская Мерилин Монро

В 1982 году ^[8] японский учёный Шунити Мизуно сделал робота с внешностью Мерилин Монро — и в натуральную величину. Женщина-андроид могла подмигнуть, пожать плечами и спеть песню, подыгрывая себе на гитаре. Микро-компрессор регулировал выражение лица, а на разработку синтетический кожи учёный, по его словам ^[9], потратил 8 лет.

Какая «кожа» у андроидов сейчас и из чего её делают

Сейчас «кожу» разрабатывают во многих странах. Однако нельзя сказать, что кому-то удалось найти универсальное решение: пока покрытия решают ту или иную задачу, а не выполняют сразу несколько функций. Однако, конечно, это вопрос времени.

Кожа, которая восстанавливается сама

Одна из особенностей человеческой кожи — способность заживлять порезы. Учёные, которые работают с покрытием роботов, нашли два материала, которые в будущем, возможно, получится использовать для создания самовосстанавливающейся кожи роботов.

Первый материал — графен. Это слой графита толщиной в один атом, по структуре похож на пчелиные соты. У него много интересных свойств: например, графен остаётся твёрдым ^[10] при температуре 3000 градусов Цельсия. При этом в 2016 году исследователи из Индии обнаружили ^[11], что трещины на графеновой поверхности «заживают» сами собой при комнатной температуре, а главное — без воздействия каких бы то ни было внешних стимулов.

Второй материал — «самовосстанавливающиеся полимеры» (англ. «Self-healing (SH) polymers»). Исследователи из Бельгии сконструировали ^[12] прототипы мышц и мягкой гибкой руки. В отличие от графенового покрытия, «кожа» из полимеров восстанавливается только при нагревании — но восстанавливается.

Какие возможности это даёт: если андроид с таким типом «кожи» поранится о разбитое стекло или, как бывает у людей, о край бумаги — рана затянется. Покрытие, которое умеет восстанавливаться само, как минимум снизит время простоя. Как максимум — убережёт робота от серьёзной поломки.

Кожа, которая ощущает тепло и «видит»

Это — свойство, которое учёные из Италии, США и Швейцарии «подсмотрели» в природе. У змей есть мембраны, благодаря которым они не только ощущают малейшие изменения температуры, но и «видят» добычу на расстоянии. 

Исследователи разработали ^[13] тончайший материал на основе пектинов, который смог уловить перепады температуры всего в 0,001 кельвина. А значит, такая кожа будет в два раза чувствительнее человеческой.

Какие возможности это даёт: роботы смогут искать людей под завалами и во время пожара, когда из-за дыма видимость снижается.

Кожа, которая чувствует воду и ветер

Исследуя мир на ощупь, живые существа получают информацию не только о температуре, но и о форме предмета, качестве его поверхности и много о чём ещё. Учёные из Китая создали ^[14] «кожу», которая способна уловить легчайшее давление — в частности, ветер и движение муравья. 

Материал состоит из магнитных сенсоров, мембран и бусин. В момент прикосновения мембраны вдавливаются и двигают бусины к сенсорам. Возникшее сопротивление перекодируется в импульсы — именно они отражают степень давления, которое почувствовала «кожа».

Какие возможности это даёт: роботы смогут выполнять сложные движения и не ломать при этом ни себя, ни то, к чему они прикасаются.

Кожа, которая помогает двигаться

А это — пример, когда исследователи работали не столько над материалом, сколько над формой. Что будет, если совместить змею и киригами? Наверное, примерно так размышляли учёные в Гарварде, когда в 2019 году ^[15] сделали робота, который умеет ползать. Надрезы на «коже» помогают не только скользить, но и, по аналогии с чешуйками змеи, поддерживать сцепление с поверхностью.

Какие возможности это даёт: робот такого типа сможет без труда передвигаться по наклонной поверхности — а значит, работать в очень разных условиях окружающей среды.

Кожа, которая растягивается

Как часто бывает, природа уже нашла решения многих задач, которые люди только начинают искать. Так, исследователи из США, работая над растяжимой «кожей», взяли за основу ^[16] особенности строения осьминогов. В результате им удалось создать синтетический материал, который может не только растягиваться и сжиматься, но и маскироваться под окружающую среду.

Какие возможности это даёт: роботы с подобным покрытием как минимум смогут фиксировать поведение животных, не тревожа их.

Кожа, которая позволяет улыбаться

Всё, как у людей: недостаточно просто хорошо делать своё дело. Одна из задач, которую решали ^[17] учёные из Японии, работая над «кожей» — как научить робота улыбаться. Исследователи использовали коллаген и создали имитацию соединительных тканей, которые удерживали материал на поверхности.

Какие возможности это даёт: более дружелюбные роботы смогут работать в социальной сфере, а люди будут теплее к ним относиться (но это не точно).

Как всё это связано с людьми

Разработки в области «кожи» помогают не только создавать разные типы роботов, но и открывают новые возможности для самого человека. О том, какие возможности появились у человечества, расскажем далее.

Сделать протезы, которые помогают осязать мир

Разработки в области искусственной «кожи» помогают не только создавать разные типы роботов, но и открывают новые возможности для самого человека. Например, учёные из Швеции разработали ^[18] прототип протеза руки, использующий технологии искусственной кожи. Благодаря этому люди, которым необходим такой протез, смогут осязать мир. Более того, протез будет ощущаться как часть тела.

Прототип состоит из трёх частей: «кожи», набора искусственных нейронов и процессора. Датчик позволил кодировать тактильную информацию за миллисекунды — как и нервная система.

Полного сходства с рукой достичь пока не удаётся, однако уже сейчас протез способен захватывать 22 предмета, а распознавать 16. По словам учёных, потенциально число объектов, которое сможет распознать искусственная рука, неограничено.

Другой подход к разработке протезов использовали ^[19] исследователи из Шотландии. За основу взяли графен, одно из свойств которого — почти полная прозрачность. Это стало ключевым: под графеновую поверхность поместили фотоэлементы, что позволило «коже» не только чувствовать, но и заряжаться от солнца.

Найти способы адаптироваться к высоким температурам

Ответ на вопрос «Что делать, если на Земле будет слишком жарко?» ищут ^[20] исследователи из США. К счастью, помимо жизни, Вселенной и всего остального их интересуют вещи, которые можно реализовать уже в ближайшее время. Как защититься от теплового удара? А если жара не сухая, а влажная? Какой должна быть одежда, которая помогает не перегреваться? В какой момент рабочие на стройке должны отдохнуть, чтобы не рухнуть от жары? А спортсмены?

Исследователи создали робота ANDI (англ. «Advanced Newton Dynamic Instrument»), который умеет потеть. Звучит забавно, но польза большая: с его помощью учёные могут моделировать разные типы терморегуляции. Например, с возрастом люди потеют меньше — а значит, им нужна другая защита от перегрева.

Извиниться за нас и очистить океан

Не только очистить, но и найти источники полезных ископаемых без вреда для подводных обитателей. Учёные из США разработали ^[21] не только чувствительную, но и водонепроницаемую «кожу» роботов. 

Осязание сделает прикосновение аккуратным, а защита от влаги позволит работать под водой. Кроме того, благодаря «коже» такого типа роботы смогут отличать живое от неживого — а значит, риск вытащить на сушу Ктулху заметно снижается.

Тестировать косметику на искусственной коже вместо людей и зверей

Учёные, которые научили ^[17] роботов улыбаться, видят потенциал «кожи» не только в более приятном общении людей и машин. Когда получится доработать материал так, чтобы там появились аналоги потовых желез, сосудов и пор, люди смогут отстать друг от друга и от животных — и наконец-то тестировать косметику, не причиняя никому вреда.

По соображениям этики, в этой статье мы не затронули и другие аспекты человеческой жизни, в которых будут важны тактильные ощущения от андроидов, но вы вполне можете упомянуть их в комментариях :-)

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS ^[22] (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS