Мягкие «терминаторы» на службе обществу

Кохеи Накаджима (Kohei Nakajima) из Цюрихского университета, один из участников проекта «OCTOPUS IP», представляет прототип искусственного щупальца робота-осьминога. swissinfo.ch

Исследования в сфере «мягкой робототехники» должны привести к созданию нового поколения машин, более гибких и безопасных для человека. Швейцария активно поддерживает такие разработки.

В фильме «Живая сталь» («Real Steel»), американском боевике режиссёра Шона Леви по рассказу Ричарда Мэтисона «Стальной человек», гигантские машины с железными кулаками заменили людей в качестве бойцов на ринге. Сам по себе сюжет вдохновлен расхожим представлением о том, какими должны быть роботы. Сегодня мы пока далеки от такого рода реальности, но факт остается фактом — роботы давно стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Они покинули просторы монтажных цехов, освоив не только технологии сборки автомобилей, но и такие профессии, которые еще недавно, — так нам, по меньшей мере казалось, — способны были выполнять только люди. Речь идет о работе в саду, об уборке квартир, об уходе за тяжелобольными или престарелыми людьми. Роботы проникли даже в детские комнаты, пока еще, правда, в форме механических игрушек или систем наблюдения за младенцами.

Мебель — трансформер

Вы приходите в гости, а вам говорят: «Берите робота и присаживайтесь»! С точки зрения Массимо Веспиньяни (Massimo Vespignani), работающего в лаборатории при «EPFL» в Лозанне над созданием модулярного робота (проект «Roombots»), такая перспектива давно уже перестала быть научной фантастикой. Диван-робот? А почему нет? Более того, ближе к обеду такой диван вполне мог бы по нашему велению и хотению превратиться в кухонный стол со стулом.  

Единичный модуль системы «Roombot» состоит из двух шарообразных элементов, каждый величиной с мяч для игры в гандбол. Элементы соединены специальной осью, каждый из элементов имеет внутри мотор, батарею и электронную управляющую начинку. Отдельные модули могут, в случае необходимости, стыковаться с другими модулями, или же разъединяться с ними. Поэтому модули могут принимать любую форму и превращаться во что угодно.

Однако чем больше модулей участвуют в создании той или иной формы, тем сложнее управлять ими. «Каждым модулем в отдельности управлять несложно, это задача на уровне детской дистанционно управляемой модели автомашины. Однако что делать, если вам приходится управлять сразу тысячами таких моделей? Предсказать их поведение становится очень сложно, и степень этой сложности растет по экспоненте. Необходимо проверить множество вариаций и просчитать большое количество возможностей оптимизации такой системы», — говорит М. Веспиньяни.

Еще одна проблема. Прежде, чем мы сможем обставить квартиры будущего модулярной роботизированной мебелью, нам необходимо придумать для таких конструкций подходящие внешние оболочки. Пока такая оболочка состоит, опять же, из жесткого пластика. А нам нужен материал одновременно мягкий, гибкий, но при этом с большим коэффициентом сопротивления внешним воздействиям. Такой материал еще предстоит изобрести.

Однако всех этих роботов — и реальных, и вымышленных-киношных, — объединяет одно и тоже качество, а именно, наличие жесткого стального или пластикового внешнего корпуса. Это делает таких роботов очень прочными, но при этом в высшей степени негибкими. Такие роботы трудятся неустанно и способны выполнять операции с точностью, недоступной людям, однако они работают исключительно в рамках, очерченных для них человеком.

Кроме того, классические «жесткие роботы» могут быть опасными для человека даже при условии соблюдения ими сформулированных еще фантастом А. Азимовым так называемых «трёх законов робототехники». И связано это с несовершенством самой человеческой природы. Промышленные роботы, поэтому, всегда работают внутри специальных защитных решеток или клеток, с тем, чтобы люди, даже при всем желании или по собственной невнимательности, не могли причинить себе вред, попав такому роботу под — в буквальном смысле — горячую руку.

Активно применяются роботы и, например, в хирургии, однако медики все равно серьезно сомневаются в перспективах таких технологий, просто потому, что роботы-«врачи» не регистрируют, например, небольшие раны или порезы, а они вполне могут привести к летальному исходу. Поэтому к началу нового 21-го столетия в науке оформилась новая область исследований, получившая собирательное название «Soft Robotics».

Цель таких изысканий — создать «мягких роботов», безопасных для людей и способных более гибко реагировать на изменение внешних вводных параметров. Примером для ученых выступают, как ни странно, живые существа из мира природы…

Искусственные мускулы

Одним из таких ученых, изучающих возможности и перспективы создания технологических компонентов для «мягких роботов», является Джун Шинтаке (Jun Shintake), аспирант «Лаборатории Систем искусственного интеллекта» при Лозаннской «Высшей технической школе» («EPFL»).

Он и его команда уже добились серьезного прогресса, создав так называемый «Диэлектрический Эластомерный Активатор» («DEA»). Звучит, как сюжет из «Звездных войн», однако это уже никакая не фантастика, а технология, которая, по сути, является прототипом искусственной мышечной ткани. На первый взгляд ничего особенного этот прототип из себя не представляет. Перед нами фрагмент мягкой, эластичной и прозрачной материи величиной с большой палец человеческой руки. Однако в глубине этой массы можно заметить темную полоску, состоящую из специальных нано-частиц. Именно они-то и придает обычной «резинке» ее необычайные свойства.

Подавая электрические сигналы, ученые могут заставлять этот «палец» сгибаться и разгибаться. Имея несколько фрагментов такой материи, в перспективе можно будет сконструировать мягкую рабочую «руку-манипулятор» для той или иной роботизированной системы. Такой «манипулятор» будет в состоянии брать самые хрупкие предметы, не нанося им механических повреждений. «Наши исследования являются чистой воды инновацией, поэтому мы пока не можем точно сказать, где эти разработки могли бы найти себе достойное применение», — указывает Д. Шинтаке. Сам он мог бы представить себе такие технологии, работающие в сфере освоения космического пространства или в области изготовления медицинских протезов.

Проблемой для ученых является, однако, не собственно разработка или производство новых материалов или деталей для сборки «мягких роботов». Дело в том, что, при всех опасностях, исходящих от «жестких роботов», такие машины имеют постоянную величину отдельных своих элементов и одни и те же параметры функционирования шарнирных и прочих похожих соединений. Поэтому мы можем легко предсказать, например, траекторию движения ковша экскаватора, который тоже есть ни что иное, как большая роботизированная система. Отсюда и управление такими системами находится в относительно предсказуемых рамках.

А вот в случае роботов с мягкими «руками-манипуляторами», способными менять свои габариты, сжиматься и растягиваться, ситуация выглядит не столь однозначно. Прототипы роботов, создаваемых в Лозанне, вообще не имеют четко очерченного «тела», скорее, это набор стандартизированных модулей, которые можно соединять в любом порядке и в любых комбинациях. «Мы хотим создать такого робота, который по приказу мог бы превратиться, например, из стола в диван», — рассказывает один из участников проекта создания «мягких роботов» Массимо Веспиньяни (Massimo Vespignani).

Швейцария и роботы

Государство в Швейцарии специально поддерживает исследования в области робототехники, учредив специализированный фонд «Nationaler Forschungsschwerpunkt Robotik» («NFS Robotik»).

Фонд «NFS Robotik» финансирует на партнерских началах проекты, реализуемые в Лозанне («EPFL»), Цюрихе («ETH»), в Университете Цюриха и в частном «Dalle Molle Institute for Artificial Intelligence» в г. Лугано. Кредитные линии действуют до 2014 г., их общая сумма составляет 35 млн. франков.

Всего финансирование получают пять проектов:

— «Bio-mimetic sensing, actuation, and mobility» (исследование роботов, созданных по образу и подобию живых организмов);

— «Interaction and Manipulation» (исследование проблем коммуникации роботов и людей);

— «Prosthetic Robotics» (разработка роботов, цель которых — помогать людям передвигаться);

— «Distributed Robotics» (исследование модулярных роботов);

— «Robots for Daily Life» (разработка роботизированных систем для нужд повседневной жизни).

В июле 2013 г. в кантоне Тичино в г. Монте Верита прошел международный семинар на тему «Soft Robotics». Организатором выступил Фумийя Илида (Fumiya Iida), руководитель лаборатории «Bio-inspired Robotics Labs» при ВТШ Цюриха. В семинаре приняли участие до ста ученых из США, Японии и Швейцарии.

Брать пример с осьминога

В природе, которая, как известно, регулируется беспощадной борьбой за выживание, встречается немало живых существ с мягкими телами. Как ни странно, у них нет никаких проблем в плане контроля, например, за собственными конечностями. А это означает, что такие «мягкие» технологии дают свои, и значительные, эволюционные преимущества. Распознать их и поставить на службу человеку — в этом и состоит задача лозаннских ученых.

Внешне «мягким», но при этом весьма агрессивным животным является осьминог. Европейский исследовательский проект «OCTOPUS IP» поставил перед собой цель лучше понять логику, применяемую осьминогами для скоординированного управления своими сразу восемью щупальцами. Для этого в ближайшие годы ученые намерены построить специального робота-осьминога, который обладал бы всеми теми же способностями, что и его прототип из глубин мирового океана.

Умные щупальца

Поскольку щупальца осьминога имеют мягкую и гибкую текстуру, то помехи, возникающие от внешних воздействий (прикосновений или от изменений направления подводных течений), влияют на животное с замедлением. Эти сигналы как бы медленно перетекают из одного сегмента щупальца в другое.

«В динамике движения таких мягких тел содержится большое количество информации. Ее можно — теоретически — выделить и использовать для управления системой в целом. Можно сказать, что весь осьминог представляет собой плавающий мозг без внешней защитной оболочки», — говорит Кохеи Накаджима (Kohei Nakajima), один из участников проекта «OCTOPUS IP» из Цюрихского университета. «С его помощью можно даже проводить определенные вычисления».

Этот ученый хотел бы сконструировать в будущем своего рода робота-трансформера, который бы, однако, не имел ничего общего с гигантами из одноименных кинофильмов. Скорее, такой робот напоминал бы жидкометаллического робота «Т-1000» из фильма «Терминатор-2» в исполнении актера Роберта Патрика. В ответ на вопрос, не был бы такой робот существом, внушающим человеку страх и ужас, К. Накаджима смеется и говорит, что с роботом-убийцей из этого фильма реального трансформера объединяло бы только такое качество, как гибкость. Превращать роботов в смертельное оружие никто не планирует… Или?

Перевод с немецкого и адаптация: Игорь Петров