Дитя человеческое. 4 прорыва в робототехнике, которые изменят жизнь людей
Стальные гимнасты, тараканы-шпионы и искусственные мышцы. Фокус рассказывает о значимых достижениях в сфере робототехники, произошедших за последние пару лет
Новостей о роботах выходит так много, что в них легко потеряться. Все разработчики рекламируют свои детища как последнее слово техники,
но при ближайшем рассмотрении некоторые новинки оказываются просто говорящими куклами (как робот София), а то и переодетыми людьми (как робот Борис на путинском форуме). Однако представленные ниже роботы действительно имеют потенциал, чтобы изменить нашу жизнь.
Насекомые-киборги
Насекомые – одни из самых эволюционно успешных животных на планете, поэтому робототехники давно пытаются позаимствовать у них эффективные техники полета и преодоления препятствий. Но некоторые ученые решили схитрить: вместо того, чтобы разрабатывать сложных насекомоподобных роботов, они "роботизируют" самих букашек.
По сравнению с полноценными роботами, у насекомых-киборгов есть свои недостатки: во-первых, это ограниченный срок службы, во-вторых – хрупкость. Но большое их преимущество состоит в том, что ученым не приходится разрабатывать свое устройство с нуля: они получают созданную самой природой "платформу" с уже готовыми системами питания и передвижения. К тому же у насекомых открытая система кровообращения, поэтому они быстро восстанавливаются после операций по вживлению необходимых электродов и датчиков.
Примером такой механизации является творение исследователей из Университета Коннектикута, которые превратили в киборга шипящего мадагаскарского таракана. Это один из крупнейших видов тараканов, который отличается умением ползать по любым поверхностям – даже по гладкому стеклу. Это значит, что его можно отправлять в места, куда слишком опасно (или вовсе невозможно) попасть людям.
Таракан-киборг - Abhishek Dutta/UConn
Главный вопрос – как управлять такими киборгами? Самый простой способ – электрические импульсы. Например, таракан воспринимает слабый разряд тока в левый усик как препятствие слева, и поворачивает вправо. Провода соединяют усики с миниатюрной микросхемой, которая крепится прямо на спине насекомого.
С помощью Bluetooth-антенны управлять тараканом-киборгом можно даже со смартфона.
Насекомых, оснащенных GPS-трекером и инфракрасным датчиком тепла, можно использовать для поиска людей под завалами. А если снабдить их камерами и микрофонами, то они станут отличными шпионами.
У летающих механизированных букашек потенциал применения еще больше: их можно заставить опылять растения и переносить крошечные грузы. В 2017 году ученые из Лаборатории Чарльза Старка Дрейпера показали дебютный полет своей стрекозы-киборга DragonflEye. Ее нейроны генетически модифицированы с помощью светочувствительного белка, что позволяет контролировать полет с помощью импульсов света. Для их передачи пришлось разработать специальные волоконно-оптические сенсоры, которые могут избирательно активировать нужные нейроны. Все оборудование (радиопередатчик, сенсоры и солнечная батарея) помещаются в крошечном "рюкзаке" на спине стрекозы.
Металлическая порода
Прошло всего 5 лет с тех пор, как гуманоидный робот Atlas делал свои первые робкие шаги. Теперь его улучшенная версия умеет балансировать на одной ноге, крутить сальто, бегать по пересеченной местности и переносить грузы массой до 11 килограммов.
В последнем ролике компания Boston Dynamics продемонстрировала, как ее творение непринужденно скачет по ступенькам высотой 40 сантиметров. Команда создателей признается, что за кадром осталось множество неудачных дублей, но итоговое видео действительно впечатляет.
Каждый прыжок робота – результат работы его системы управления, которая не только оценивает расстояние до препятствия, но и помогает ему правильно распределить вес между корпусом, ногами и руками. Весит он 75 килограммов, а его рост составляет 175 сантиметров. Он питается от электрической батареи и двигается благодаря гидравлическим приводам.
Еще одно детище Boston Dynamics – "собака" SpotMini. Это уменьшенная модель робота Spot, адаптированная для использования в домашних условиях.
Несмотря на внешнее сходство с механической собакой-убийцей из "Черного зеркала", этот робот вполне безобиден. Он умеет танцевать, открывать хозяину двери и помогать с уборкой в доме. Уже в этом году компания обещает вывести эту модель на рынок и выпускать по 1000 штук в год. Сколько будет стоить робот, пока неизвестно.
Кстати, похожий робопес по имени ANYmal, разработанный инженерами Швейцарского федерального технологического института, уже инспектирует канализационную систему Цюриха. В отличие от SpotMini, его спроектировали для наблюдения за промышленными объектами: помимо оптических и тепловизионных камер, он оборудован датчиками обнаружения газа.
Мягкий, как робот
Как правило, при слове "робот" наше воображение рисует эдакого железного монстра, возможно, с горящими красными глазами. Это популярный образ, но отнюдь не единственный. Некоторые ученые делают ставку на роботов из мягких материалов. Взять хотя бы манипуляторы HASEL, разработанные инженерами из университета Колорадо. Они могут безопасно работать даже самыми хрупкими и нежными предметами, такими как ягоды малины и сырые куриные яйца.
Они представляют собой мягкие и тонкие оболочки из полидиметилсилоксана, подключенные к паре противоположных электродов и заполненные трансформаторным маслом. При подаче напряжения масло, являющееся жидким диэлектриком, вытесняется и расширяет актуатор, а при выключении – возвращается на место.
"Нас вдохновляют удивительные возможности биологической мускулатуры. Как и биологические прототипы, механизмы HASEL могут сочетать в себе гибкость осьминога, скорость колибри и силу слона", – говорит главный исследователь проекта Кристоф Кеплингер, доцент кафедры машиностроения. Кроме того, эти приводы удивительно долговечны. Во время испытаний прототип HASEL смог поднять грузик весом 150 миллиграммов более миллиона раз и при этом не износиться.
Ученые подчеркивают, что в устройстве используются дешевые материалы, его себестоимость – всего 10 центов. Они уже запатентовали технологию и теперь изучают возможности ее коммерциализации. Потенциально, приводы HASEL можно использовать для будущих мягких роботов-гуманоидов и даже протезов следующего поколения.
Тем временем ученые из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института разработали искусственную мышцу, способную поднять груз в 1000 раз больше собственного веса.
Она, по сути, представляет собой камеру из полимера или другого воздухонепроницаемого и эластичного материала, наполненную водой или воздухом и подключенную к насосу. Внутри также находится пластиковый "скелет", который может складываться и раскладываться, как оригами. Сокращается она за счет изменения давления жидкости или газа внутри камеры. Используя этот принцип, можно создавать искусственные мышцы любых размеров.
Для испытания технологии ученые создали несколько прототипов. Один из них при собственном весе в 2,6 грамма смог поднять груз массой 3 килограмма. А пиковая мощность актуатора составила около двух киловатт на килограмм массы – больше, чем у настоящих скелетных мышц млекопитающих. На его изготовление ушло всего 10 минут, а себестоимость материалов составила $1.
Мягкие роботы могут использоваться даже в качестве имплантов. Медики из Гарвардского университета и детской больницы в Бостоне создали роботизированный кардиостимулятор для пациентов с изолированной сердечной недостаточностью (когда плохо работает один из желудочков). Помпа из резины и пластика плотно облегает желудочек, помогая ему сжиматься синхронно со здоровым. Имплант уже успешно протестировали на свиньях.
Игра по-крупному
Недавно инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) разработали робота, который умеет играть в дженгу. На фоне успехов нейросетей в покере, шахматах и древнекитайской игре го такая разработка может показаться несерьезной, однако разработчики уверяют: эта важная веха для робототехники.
Напомним правила: игроки в дженгу сначала складывают башню из деревянных блоков, а затем по очереди вытаскивают их из разных этажей (кроме двух верхних) и кладут их на вершину, постепенно достраивая новые этажи. С каждым ходом башня становится все более высокой и неустойчивой. Задача – не допустить разрушения башни во время своего хода.
Чем же так сложна эта игра для машины? Дело в том, что ее невозможно освоить в виртуальной симуляции, поэтому роботу пришлось тренироваться в реальном мире на настоящих кубиках, методом проб и ошибок. Почти как человеку.
Робот оснащен манипулятором с двумя прорезиненными "клешнями", видеокамерой и манжетой с датчиком силы. Последняя деталь самая важная: именно она подает компьютеру тактильную обратную связь, когда робот прикасается к кубикам. Объединяя эту информацию с визуальными потоками с камеры, робот учится определять, при каких условиях можно удачно вытащить и переложить кубик.
В отличие от обычных методов машинного обучения, в которых нейросетям "скармливают" десятки тысяч данных, тут роботу дали всего около 300 попыток. По словам разработчиков, ему этого хватило, чтобы научиться прогнозировать выигрышные ходы не хуже человека.
Вряд ли из робота когда-нибудь получится идеальный игрок в дженгу, зато навыки, полученные в процессе тренировок, в дальнейшем могут быть использованы для сортировки вторсырья и сборки электронных гаджетов. Более того, эта работа является важным шагом на пути к разработке технологий тактильной обратной связи, которые, в отличие от компьютерного зрения, только начинают развиваться.