(с) Журнал xakep

Роботы: раса 21 века

Когда я был маленьким, мне очень нравился фильм про Алису и мелофон. А моим любимым героем этой замечательной сказки был Вертер. Тот самый милашка робот Вертер, который спас Алису от неминуемой гибели, но сам пал от смертельных лучей пиратского бластера. После фильма я стал мечтать о таком друге. Который будет так же обаятельно смеяться и защищать меня от всех невзгод. Я даже записался в кружок радиоэлектроники, чтобы сконструировать домашнего Вертера. Но потом вдруг резко повзрослел и понял – этот шагающий кран мне на фиг не нужен. Лучше построить себе кибертетку, которая будет меня без устали ублажать, молча готовить пожрать, тщательно убирать квартиру, приносить кучу денег и прятаться под диваном, когда ее услуги временно не нужны. Думаешь, это невозможно? Ты отстал от жизни, пельмень! Креативные умы сейчас создают и не такие чудеса.

Механические куклы средневековья

Первые попытки создать движущийся механизм относятся к 400 веку до н.э. Занимаясь исследованием полета птиц, греческий философ и математик Архитей сконструировал деревянную модель голубя, который мог махать крыльями и даже летать. Для того чтобы заставить свое изделие двигаться, Архитей использовал давление пара. 200 лет спустя изобретатель Цебиус из Александрии представил первые водяные часы, которые не требовали постоянного присутствия человека и могли самостоятельно отсчитывать время. На этот раз, для того чтобы привести в действие внутренний механизм, был задействован поток воды. Греческие правители были поражены возможностями предметов, работающих автономно, и щедро поощряли их авторов. Со временем всевозможные механические птицы, звери, люди стали использоваться владельцами театров. И зрители всегда принимали подобные представления с восторгом.

В средневековые времена церковь стала использовать самодвижущиеся фигурки для поддержания среди крестьян веры в сверхъестественное. Огромные статуи, шевелящие глазами и склоняющие голову в молитве, действительно выглядели впечатляюще. С 13 века даже сохранился механический часовщик, который умеет бить в колокол молотком, извещая о текущем времени. Наверняка, тогда он считался чудом.

В 18 веке в обеспеченных семьях вошли в моду механические куклы. Их заказывали только самые богатые горожане, так как стоили такие игрушки целое состояние (нередко – дороже хорошего дома). Куклы ставились на самом видном месте и были предметом гордости. Мастера, занимавшиеся изготовлением таких изделий, пользовались огромным уважением и были всегда востребованы.

В 1738 г., благодаря трем своим изобретениям, на весь мир прославился французский ученый Жак де Викансон. В своей лаборатории в Гренобле он сконструировал искусственного музыканта, который мог исполнять на флейте 12 разных мелодий. Затем уже новый музыкант приобрел, помимо флейты, барабан и бубен. Теперь мелодии исполнял целый оркестр инструментов. Но самым известным изобретением, о котором судачила вся Европа, стала механическая утка Викансона. Жак попытался как можно точнее воссоздать поведение настоящей птицы и для этого задействовал более тысячи механизмов. Его утка умела передвигаться, крякать, махать крыльями, вращать головой и даже глотать и переваривать пищу.

В 1898 г. в парке Мэдисон Сквер прошла презентация нового изобретения известного ученого Николая Теслы. Посреди парка был пруд, в центре которого плавал небольшой кораблик. Все гости были удивлены – ничего нового в этой плавучей конструкции не наблюдалось. Но когда презентация началась, корабль поверг зрителей в шок – он точно исполнял озвученные инструкции Николая. А когда ученый предложил аудитории задать суденышку свои вопросы, и кто-то спросил: «Каков кубический корень из 64?», маячок на корабле мигнул 4 раза. Спустя некоторое время Николай Тесла получил патент номер 613809 на устройство под названием «wireless remote control», использующее в своей основе радиосигналы.

Пресса быстро разнесла сенсационную весть. Изобретение настолько опережало свое время, что даже аналитики не могли придумать ему практического применения. Один из журналистов Нью-Йорк Таймс предположил, что с помощью беспроводной связи можно напичкать какое-нибудь средство передвижения динамитом и, управляя им на расстоянии, использовать как управляемую торпеду. Тесла тут же выступил с заявлением по этому поводу: «Не нужно сразу искать способы превратить мое изобретение в оружие. Подумайте лучше о том, что с помощью WRC теперь стало возможным создать новую расу механических существ, которые будут помогать людям выполнять сложную, и подчас даже невозможную работу».

Рассвет робототехники

В январе 1921 г. в Праге состоялась премьера новой пьесы популярного чешского драматурга Карела Чапека. Главными героями «R.U.R.» (Rossum’s Universal Robots) были роботы – искусственные существа, в начале прислуживающие людям, а затем захватившие власть и чуть не уничтожившие человечество. Так как подходящего слова для обозначения таких искусственных созданий не было, Чапек взял чешское «robota» (принудительный труд) и немного его сократил. Пьеса имела огромный успех, и слово «робот» со временем прочно вошло в обиход.

В 1940 г. научно-популярный журнал Super Science Stories опубликовал серию рассказов известного писателя-фантаста Айзека (Исаака) Азимова под заголовком «A Strange Playfellow». Азимов описал взаимоотношения маленького мальчика и механического робота Robbie, которого создали для защиты ребенка. В своих рассказах автор выделил три основных закона, которым должен подчиняться каждый робот:

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

2. Робот должен подчиняться командам человека, если эти команды не противоречат первому закону.

3. Робот должен заботиться о своей безопасности, пока это не противоречит первому и второму закону.

Позже писатель добавил еще одно – нулевое правило:

0. Робот не может причинить вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинен вред.

Несмотря на то, что в середине 50-х большинство людей уже знали, кто такой робот, всерьез это слово не воспринималось. Роботов связывали с фантастическими произведениями, считали интересными, но нереалистичными созданиями. Но пока все скептически пожимали плечами, некоторые ученые уже занимались исследованиями, которые в будущем изменят всю историю робототехники.

В 1956 г. Джордж Диро и Джозеф Энжилбергер основали первую в мире компанию по разработке и производству роботов. Они твердо верили, что роботизированные машины способны не только облегчить человеческий труд, но и полностью изменить будущее. Пять лет спустя компания выпустила первого промышленного робота Ultimate. Эта махина, внешне похожая на большую железную руку, была тут же привлечена для работ на автозаводах General Motors.

Примерно в этом же году в Массачусетском Технологическом Институте (МТИ) Джон МакКарти и Марвин Минский основали Лабораторию Искусственного Интеллекта, в которой приоритет отдавался исследованиям в области робототехники. Здесь пытались создать не просто машины для постройки других машин, а механические создания, наделенные обаянием и умеющие имитировать человеческие поступки (играть в игры, танцевать).

В 1966 г. в Стэндфордской Исследовательской Лаборатории (SRI) произвели на свет Shakey – первого автономного робота, который умел ориентироваться в помещении и объезжать препятствия. Несмотря на то, что передвигался он со скоростью 1 метр в 15 минут (встроенная камера постоянно фотографировала изображение и отсылала его на компьютер, где на основе полученной информации просчитывался дальнейший маршрут), это был несомненный прорыв, и идеи, заложенные в Shakey, впоследствии применялись многими ведущими производителями роботов.

В 1977 г. на экраны вышел культовый фильм Джорджа Лукаса «Звездные Войны». Картина наделала много шуму, а R2-D2 и C-3PO – парочка забавных роботов, принимающих участие в космических переделках – стали народными любимцами. Несмотря на то, что фильм был сугубо фантастическим, идеи, заложенные в показанных роботах, вдохновили многих ученых на новые эксперименты.

С развитием компьютерных технологий, робототехника стала практически полностью базироваться на них. Роботы на микрочипах оказались не только функциональнее, но и дешевле в изготовлении. В начале 80-х начался стремительный рост промышленной робототехники. Почти каждый месяц в мире появлялась новая компания-производитель коммерческих роботов. Подавляющее большинство машин были задействованы на автозаводах, где выполняли тяжелую монотонную работу. Но со временем механические помощники принялись осваивать жилые помещения, помогая людям по дому или просто развлекая их своим присутствием.

Промышленные роботы

Ученые, занимающиеся исследованиями в области робототехники, на протяжении многих лет предлагали свои определения слову «робот». И все время находились противники, доказывающие соответствие каждого описания многим другим машинам. Простейшим определением может служить следующее – механический помощник человека, запрограммированный на выполнение определенных задач.

НAiboлее востребованы роботы там, где работа или слишком опасна для человека, или слишком однообразна. Несмотря на то, что промышленные роботы стоят десятки, а то и сотни тысяч долларов, компании все чаще отдают предпочтение именно им. Роботы не знают усталости, не опаздывают на работу, им не нужно платить зарплату, и они намного реже допускают ошибки. Идеальные работники, которые быстро окупают себя. В настоящее время более 80% всех существующих роботов работают в сфере промышленности, помогая изготавливать автомобили, самолеты, моторы, компьютерные чипы, упаковывать шоколад и разливать алкогольные напитки. Автомобильные заводы сейчас настолько роботизированы, что люди там выступают исключительно в роли надсмотрщиков, а всю основную работу выполняют их механические коллеги.

Промышленные роботы мало похожи на андроидов, которых показывают в голливудских фильмах. Их основная задача – перемещать и укладывать предметы, а для этого не обязательно иметь человеческую форму. Типичный заводской робот состоит из 5 частей:

- Контроллер. Это мозг робота, который заставляет цельно функционировать весь остальной механизм. Контроллер обрабатывает команды, написанные на языке программирования, и следит за их выполнением. Он также позволяет подключиться к сети и взаимодействовать с другими роботами.

- Роботизированная рука. Часто напоминает руку человека и служит для перемещения end-эффектора к нужному объекту. Чем больше стыков соединения, тем более гибкой будет рука, и тем мобильнее сам робот. Простейшие аппараты с тремя степенями свободы могут передвигаться вверх-вниз, вправо-влево и вперед-назад. Большинство промышленных роботов имеют 6 степеней свободы.

- Привод. Это двигатель, который оживляет части механизма, заставляет их работать над командами контроллера. Система привода расположена по всему периметру руки и работает обычно от электричества или давления воды/воздуха.

- End-эффектор. Сама по себе роботизированная рука не является инструментом. Чтобы робот выполнял задачи, его нужно снабдить end-эффектором – насадкой, делающей, собственно, всю работу. Это может быть зажим, вакуумный насос, сверло, паяльная лампа или миниатюрные щипцы. Многие роботы имеют несколько end-эффекторов, каждый для своих задач. Часто эффектор можно заменять, а его обладателя перепрограммировать на новые виды деятельности.

- Сенсор. Чтобы робот мог, например, взять плитку шоколада и поместить ее в коробку, он должен уметь распознать эту самую плитку. Для этого и существует сенсор. Телеобъектив сканирует пространство вокруг, посылает информацию в контроллер, и тот, в свою очередь, отдает команду end-эффектору взять предмет.

Экстремальные роботы

Человек – крайне уязвимое существо. Есть много условий, при которых его деятельность или затруднена, или вообще невозможна. В таких случаях лучшими помощниками становятся роботы. На них не влияет радиация, им безразличны чрезмерно высокие и низкие температуры, робот может проникнуть в такие места, куда не доберется ни один человек.

Экстремальные, да и вообще все роботы делятся на две группы: управляемые (ROVы) и автономные. Автономные роботы не требуют вмешательства человека и ориентируются в окружающей среде посредством всевозможных датчиков и сенсоров. Это могут быть световые датчики, реагирующие на свет, звуковые – которые пускают звуковую волну и по отражению звука определяют отдаленность предмета (как летучие мыши), а также оптические, которые сканируют местность и строят ее трехмерную модель. Некоторые роботы имеют чувствительный бампер и огибают препятствия только после столкновения с ними.

Их управляемые собраться полностью зависят от людей. Сейчас большинство ROVов имеют простые инфракрасные или радиопередатчики, а для работы с ними используются джойстики. С развитием систем виртуальной реальности, на смену кнопочному управлению приходит интерактивное. В недалеком будущем взаимодействие с роботами станет настолько реалистичным, что оператор будет ощущать свое присутствие, как если бы он сидел внутри.

Один из примеров механического экстремала – Dante II. Этот восьминогий робот, напоминающий паука, заползает по вертикальным стенам в кратер действующего вулкана и собирает информацию о предположительном времени извержения. В 1994 г. ученые впервые запустили Данте внутрь вулкана на Аляске. Находясь на расстоянии 80 км, они дистанционно управляли роботом и наблюдали за происходящим внутри благодаря 8 установленным камерам.

Другой робот – Nomad – бороздит просторы Антарктики в поисках упавших на землю метеоритов. Он полностью автономен, умеет находить на земле камни, а по цвету, размеру и форме – определять геологическую породу. Встроенный металлоискатель идентифицирует наличие в камне железа – основного компонента в химическом составе метеоритов.

Его коллега Sojourner трудится в более отдаленных местах. В 1997 г. этот робот высадился на Марс и путешествовал по его поверхности, фотографируя местность, собирая образцы почвы и передавая всю информацию на Землю. В то время, чтобы поддерживать связь, ему приходилось возвращаться на базу. Новое поколение астророботов, которые уже стартовали на красную планету продолжать начатое дело, имеют мощный встроенный передатчик и могут напрямую соединяться с научным центром.

В 1986 г. людям впервые удалось дотянуться до затонувшего «Титаника», который в течение 74 лет покоился на 6-километровой глубине. Огромное давление не позволяло аквалангистам вплотную приблизиться к судну, поэтому в подводную экспедицию отправили управляемого робота по прозвищу Джей Джей. Другой робот – The Deep Drone – помог извлечь черный ящик из пассажирского самолета EgyptAir Flight 990, рухнувшего в океан в 1999 году.

Все чаще используются роботы, которые обезвреживают бомбы и помогают людям, погребенным под завалами. К числу первых принадлежит Mini-Andros – управляемый колесный агрегат, похожий на маленький танк. Он способен подниматься по лестнице и ориентироваться в темноте. Но главное его достоинство – механическая рука, которая быстро разминирует или детонирует любую бомбу. Робот Moccasin II, напоминающий червяка, умеет проползать в туннелях диаметром 20 см и поворачиваться на 90 градусов в любых направлениях. Встроенные телекамеры позволяют наблюдать из глаз робота и находить под завалами людей. В последних моделях таких червячков есть встроенные отсеки, в которые можно положить еду или медикаменты.

Одним из самых продвинутых автономных роботов является Urbie – результат сотрудничества ведущих роботопроизводителей: Jet Propulsion Laboratory (JPL), корпорации iRobot, Robotics Institute of Carnegie Mellon University и University of Southern California Robotics Research Laboratory. Основная цель Urbie – проводить военные разведывательные операции в черте города. Но благодаря отличной системе навигации и способности передвигаться практически по любым пересеченным территориям, робот подходит и для многих других задач. Например, снятия проб радиации в местах ее повышенного содержания или оказания помощи в районах стихийного бедствия.

Домашние роботы

Фантасты и пионеры робототехники еще в середине века предсказывали, что недалек тот день, когда роботы освоят квартиры и будут помогать людям по дому. Но только в конце 90-х годов эти предположения начали сбываться.

Первыми ласточками стали автономные пылесосы. Ездящие по полу и собирающие пыль обтекаемые диски можно назвать роботами лишь с натяжкой, но все-таки это уже не просто бытовая техника. У таких пылесосов имеются встроенные сенсоры, процессор, установленное ПО, они могут самостоятельно подзаряжаться, но самое главное – они не требуют вмешательства человека. Аппарат пересекает комнату по произвольной траектории, огибая препятствия и проникая в труднодоступные места, при этом не оставляет за собой ни пылинки. До недавнего времени подобные устройства стоили тысячи долларов, но благодаря компании iRobot, теперь робот-пылесос можно приобрести всего за $200.

Среди бытовых роботов большой популярностью пользуются также газонокосильщики. Система навигации у них основана на сети проводов, протянутых под землей. Следуя по ним и ориентируясь на расставленные маркеры, робот знает пределы своей территории и действует исключительно в ее рамках. Hi-end модели питаются от солнечных батарей и могут работать круглосуточно.

Несмотря на практическую ценность двух предыдущих агрегатов, человек вряд ли будет относиться к ним как к домашним питомцам. Да и не для этого они создавались. Другое дело – роботы типа R100. Такой малыш не только может выполнять полезные функции (приносить тапочки, проверять почту, записывать видеоизображения и отсылать их на указанный e-mail), но и развлекать занятной беседой. Робот способен узнать своего хозяина в толпе других людей и обратиться к нему по имени. Словарный запас R100 составляет в общей сложности около 300 фраз, а количество команд, которые он может исполнить, достигает нескольких сотен. Компания-разработчик робота – NEC - уже успела выпустить более совершенную версию R100 – PaPeRo. Он меньше по размеру, легче и имеет ряд дополнительных функций.

В Японии сейчас в моде новый робот компании Fujitsu – Maron-1. Забавный полуметровый зверек легко преодолевает небольшие препятствия и может выполнять команды, отдаваемые по мобильному телефону. Если лень искать пульт от телика или кондиционера – можно набрать на трубке заданную комбинацию, и Maron-1 быстренько включит нужный девайс. Глаза робота оснащены видеокамерами, которые могут записывать и пересылать изображение на мобилу хозяина. Причем, если в доме окажется посторонний, робот сам быстро среагирует, запечатлеет лица непрошенных гостей и перешлет их на адрес в интернете.

Относительно свежей идеей на ниве робототехники является построение роботов на основе мобильных устройств (КПК, ноутбук). Компания Evolution Robotics предлагает всем, кто стеснен в средствах, но хочет, чтобы по дому ездило нечто псевдоразумное, свой продукт ER1. В базовом состоянии ER1 представляет собой небольшую тележку, не способную ни передвигаться, ни вообще что-либо делать. Для того чтобы ее оживить, нужно вставить ноутбук и проинсталлировать специальное ПО. Конечно, не стоит требовать от такого конструктора чего-то сверхъестественного. ER1 – как капризный ребенок, которому все нужно показывать и рассказывать.

Другой мини-агрегат, использующий в качестве мозгов КПК Palm, поставляется в виде конструктора с яркой надписью на коробке: PalmPilot Robot Kit. Несмотря на свой миниатюрный размер, этот малыш вполне сносно ориентируется в домашней обстановке с помощью инфракрасных сенсоров, а благодаря особой конструкции колес имеет отличную мобильность. Установив дополнительный софт, можно управлять этой крохой, рисуя маршрут на сенсорной панели Палма. А можно самому написать для него программы и немного расширить возможности.

Но главным чудом технической мысли являются зверушки корпорации Sony. Роботособаки Aibo, несмотря на молодой возраст, уже известны во всем мире. С 1999 г., когда появилась первая модель, песик неоднократно менял свою форму и содержание. Последняя Aibo ERS-220 имеет поистине хай-течный вид и ведет себя как разумное существо. Зверек имеет четыре стадии взросления: младенчество, детство, юность и зрелый возраст. В младенчестве его интеллект и возможности весьма ограничены, но со временем он впитывает новые знания, разучивает новые команды (до 75) и обретает индивидуальный характер. 64-разрядный RISC-процессор, который служит собачке мозгом, запоминает все действия хозяина по отношению к цифровому питомцу. И на основании обработанной информации строит линию дальнейшего поведения. Aibo отлично ориентируется в пространстве – зрение ей обеспечивают цифровые камеры, слух – 2 стереомикрофона, осязание – тепловые сенсоры и сенсоры прикосновения. Собачка демонстрирует чудеса подвижности. Она умеет бегать, прыгать, сидеть, лежать, подтягиваться, выполнять акробатические трюки и даже танцевать в ритм! И вдобавок ко всему, механическое животное может проявлять эмоции - от счастья и злобы до удивления и страха. У Aibo есть один, но существенный недостаток – цена, которая колеблется в районе $2500. А ведь на рынке полно похожих питомцев. Не таких навороченных, но тоже весьма симпатичных, и стоящих не дороже ста баксов.

Соревнования роботов

Механические создания всегда вызывали у людей неподдельный интерес. Но если в 70-х роботы, умеющие имитировать действия человека, имели скорее экспериментальный характер, в начале 90-х началась настоящая роботомания. С каждым годом число людей, вовлеченных в робототехнику, увеличивается на треть, а в газетах то и дело появляются заголовки о чудо-машинах, собранных буквально на коленке в гараже. Благодаря интернету любой человек может научиться конструировать собственных роботов из подручных средств. И не нужно заказывать в е-шопах дорогостоящие компоненты – все необходимое можно найти на радиорынке.

Энтузиасты, собирающие роботов, не варятся в собственном соку, а постоянно обмениваются информацией и участвуют в соревнованиях, где их творения имеют шанс заявить о себе. Одним из самых известных таких соревнований является RobotWars - английское телевизионное шоу, уже десятый год развлекающее весь мир. На специально оборудованной площадке встречаются механические гладиаторы, единственная цель которых – любыми способами уничтожить соперника и остаться «в живых» самому. Принять участие в робовойнах съезжаются технические умы со всего света, пытаясь завоевать чемпионский титул и отхватить главный приз – 10 тысяч долларов. Несмотря на то, что непосредственные участники сражений – не совсем роботы, скорее радиоуправляемые машины, шоу пользуется огромной популярностью. В нем есть свои звезды и кумиры, а также толпы поклонников, болеющих за любимцев.

Технически более продвинутое соревнование – чемпионат роботов по футболу. Тут уже механическим спортсменам приходится рассчитывать только на себя. Основной целью Robocup организаторы ставили не развлечение публики, а нахождение посредством игры новых решений в автономной навигации роботов. Ведь для того чтобы прилично играть в футбол, роботам нужно отслеживать положение мяча, взаимодействовать друг с другом, быстро распознавать предметы (чтобы отличить своих игроков от противника), не говоря уже о том, чтобы твердо держаться на ходу и уметь бить по мячу. Сейчас тактика команд практически полностью просчитывается на компьютере. По всему периметру поля расставлены видеокамеры, которые ежесекундно определяют положение игроков и мяча на поле, передают информацию на сервер, а оттуда уже поступают команды каждому роботу в отдельности. Несмотря на то, что сейчас роботизированные футболисты только начинают осваивать футбольное поле, организаторы строят большие планы на будущее. Их главная цель – повторить подвиг Deep Blue и воспитать к середине 21 века команду роботов, которая сумеет победить действующих чемпионов мира по футболу.

Пожалуй, самым масштабным соревнованием роботов является Robotics Competition, которое проходит в Манчестере и собирает более 20 тысяч студентов американских школ и вузов. RC – командная игра. Каждому зарегистрировавшемуся тиму (вступительный взнос составляет $5K) предоставляется пара опытных наставников и определенный набор деталей, из которых за отпущенное время (шесть недель) нужно собрать роботов. Причем чем универсальнее они окажутся, тем лучше. Впоследствии эти игрушки будут состязаться друг с другом в самых разнообразных конкурсах, от гонок по пересеченной местности до дуэли на приподнятой над землей платформе. Всего количество состязаний доходит до 500. Выгоду от Robotics Competition получают все. Юные техники имеют возможность познакомиться и пообщаться со специалистами в области робототехники, перенять их опыт. А те, в свою очередь, обретают неиссякаемый источник свежих идей, генерируемых молодежью.

Несмотря на то, что современные роботы способны самостоятельно передвигаться и даже принимать некоторые решения, современная робототехника пока находится на том уровне, где были компьютеры в конце 70-х годов. Существует еще уйма проблем, которые только предстоит решить. Над ними совместно бьются тысячи ученых со всего мира, и благодаря такому взаимодействию роботы с каждым годом становятся умнее. Но главная цель – робот, умеющий настолько же хорошо адаптироваться к окружающим условиям и действовать, как человек – еще далеко. Инженеры обещают, что к 2030 г. роботы станут не глупее людей, а их количество чуть ли не превысит человеческую популяцию. При этом некоторые добавляют, что мы станем так же зависимы от них, как сейчас от компьютеров. Судя по всему, нас ждет веселое будущее…