Із фантастики в життя: чи стануть крокуючі велетенські роботи реальністю

Попри всі досягнення техніки, роботи для людей поки ще залишаються екзотикою. Особливо це стосується різноманітних механічних екзоскелетів, які зроблять солдат потужнішими, а робітників – ефективнішими. У фантастичних книгах та комп’ютерних іграх подібні розробки називаються роботами-мехами і широко використовуються. А наскільки вони можливі в реальності?

Уже кілька десятиліть уявлення про майбутні війни охоплюють величезних людиноподібних бойових роботів, які крокують по полю бою, з операторами всередині. Уперше подібні керовані двоногі роботи з’явилися в японських мультфільмах жанру аніме, але незабаром потрапили і в британську культуру завдяки таким науково-фантастичним серіалам, як «Роботек». Тему людиноподібних бойових машин підхопив і Голлівуд – вони фігурують у блокбастерах, зокрема, у фільмах «Чужі», «Аватар» і «Тихоокеанський рубіж».

Чи ідеальна анатомія людини для робота

Джордан Вайсман, розробник з компанії Harebrained Schemes, створював тактичні рольові ігри BattleTech за участю мехів ще в 1980-х роках. На відміну від інших подібних ігор, конструкція роботів Вайсмана мала під собою серйозне технічне обґрунтування. Вони являли собою сталевий каркас-скелет, одягнений у плоть зі штучної мускулатури, що приводиться в рух завдяки електричним імпульсам. Кожен робот був також забезпечений гіроскопічним стабілізатором і бортовою електростанцією.

Основна ідея конструкції роботів Вайсмана цілком розумна з наукової точки зору. Придумані ним штучні м’язи багато в чому нагадують електроактивні полімери – матеріали, які змінюють форму при протіканні через них електричного струму. «Ці пучки волокон, які подовжувалися або скорочувалися залежно від наявності або відсутності напруги і були м’язами наших роботів, – пояснює Вайсман. – Зараз, 30 років по тому, схожі матеріали використовуються в протезуванні».

Одна з причин популярності ідеї людиноподібних роботів полягає в тому, що людське тіло приголомшливо ергономічне. «Анатомія людини ідеально пристосована для ходіння по пересіченій місцевості або лазіння по скелях, – підкреслює Роб Бакінгем, директор лабораторії роботобехніки RACE (Remote Applications in Challenging Environments) при Калемському науковому центрі у Великобританії. – Досить поглянути на солдата, який здатний нести вантаж, що перевищує його власну вагу в кілька разів, пересуваючись по місцевості будь-якого типу».

Однак ходіння на двох кінцівках потребує суттєвої вправності, і контролювати стійкість двоногого робота може виявитися важким завданням. Не спрощує ситуацію і те, що подібний агрегат буде досягати принаймні трьох метрів у висоту.

Професор Сетху Віджаякумар з Единбурзького робототехнічного центру передбачає, що принципи управління таким роботом будуть дещо подібними до функціонування екзоскелета з фільму «Чужі». Автоматична система управління буде отримувати від оператора команди і виконувати їх, вносячи додаткові корективи для забезпечення стійкості. «Від оператора будуть виходити команди високого рівня, але дуже багато функцій з контролю нижчого порядку робот буде виконувати самостійно – наприклад, підтримувати рівновагу при ходьбі», – говорить Віджаякумар.

Насправді набагато простіше створити двоногого робота, керованого людиною, ніж машину, здатну «думати» самостійно. «Це цілком реалістичний сценарій з точки зору технології, – зазначає Віджаякумар. – Створення такого робота набагато реальніше, ніж поява повністю автономної системи, оскільки розробка останньої пов’язана з безліччю проблем: дуже важко наділити систему сприйняттям і здатністю приймати ситуативні рішення».

Однак система управління таким роботом повинна бути надійно захищена від хакерських атак і можливої втрати інформації. Вона також повинна працювати зі швидкістю 500 тисяч операцій на секунду.

Що вони «їстимуть»

Непросто створити і джерело енергії, необхідне для роботи таких роботів. Вайсман забезпечив своїх роботів бортовими термоядерними реакторами. Однак, з огляду на те, що розміри сучасних реакторів такого типу приблизно відповідають розмірам зовсім не найменшого складського приміщення, про їхнє використання для живлення роботів поки можна забути.

Роботи у фільмі «Тихоокеанський рубіж» були обладнані ядерними реакторами. Ці реактори дійсно виробляють велику кількість енергії, але їхнє використання пов’язане з ризиками безпеки. «Сучасний рівень розвитку елементів живлення і щільності енерговиділення поки не дозволяє втілити подібні сценарії в життя, – пояснює Віджаякумар. – Дослідження в галузі ядерних паливних елементів ведуться, але все ще знаходяться на дуже ранньому етапі».

Занадто багато інформації

Ще одна проблема пов’язана із ситуаційною обізнаністю оператора. «Ми досягли певних успіхів в тому, що стосується управління роботом у реальному масштабі часу, зокрема, забезпечення його стійкості, – каже Віджаякумар. – Ми знаємо, як це реалізувати. Але проблема полягає в тому, що найменша зміна в інформації, що надходить від сенсорів, які працюють у реальному масштабі часу, призведе до збою в системі управління».

Зворотний тактильний зв’язок з органами управління – на зразок тієї, що застосовується в деяких типах ігрових джойстиків, – був би корисним способом передачі оператору даних про просторове положення робота. Однак якщо забезпечити такий додатковий канал зворотного зв’язку, є ризик перевантажити оператора інформацією.

Як навчити їх ходити

Чим більші розміри робота, тим він важчий. Тиск на поверхню залежить від його ваги. У двоногих роботів значна порція загальної маси припадає якраз на нижні кінцівки. У результаті створюється «ефект шпильок», при якому вся маса робота тисне на дуже маленьку площу поверхні.

«У жінки на підборах-шпильках уся маса тіла концентрується на кінчиках шпильок розміром у кілька квадратних сантиметрів, і в результаті підбори можуть йти глибоко в землю», – говорить Вайсман.

Зі схожою проблемою зіткнулися німецькі конструктори при розробці надважкого танка Maus під час Другої світової війни. Танк, який важив 188 тонн, добре показав себе на залізобетонному покритті, але на першому ж польовому випробуванні загруз у ґрунті.

Не менш важким завданням буде змусити робота ходити. Існують гіроскопічні стабілізатори, які забезпечують стійкість транспортних засобів, таких як круїзні лайнери. Однак ходіння – це дуже нестабільний процес.

Ми пересуваємося за рахунок того, що схиляємо корпус вперед і не даємо собі впасти, виставляючи вперед то одну, то іншу ногу. Крім того, чим вищий робот, тим важче буде досягти його рівноваги при ходьбі.

Обійти ці труднощі можна було б за рахунок установки на кожну з кінцівок робота моторів, що призводять її в рух, однак при цьому потрібні були б високопотужні мотори для забезпечення балансу всього механізму в цілому. Маса таких моторів відносно велика, тобто кінцівки вийшли б занадто важкими, а це означало б додаткові труднощі з балансуванням робота.

Проводилися дослідження штучної мускулатури з пневматичними приводами, але таких приводів на кожну кінцівку потрібно два – один для згинання, інший для розгинання. «За допомогою пневматичних систем можна побудувати систему, що складається з п’яти кінцівок, – каже Віджаякумар. – Але якщо спробувати створити з їхньою допомогою двоногого робота, це буде жах з точки зору електроніки і проводки».

Для важкої фізичної праці

Японська компанія ActiveLink уже впритул наблизилася до початку виробництва свого екзоскелета під назвою Assist Suit AWN-03. Мета його створення – усунути дефіцит робочої сили, викликаний загальним старінням населення. «Є види праці, механізувати які не уявляється можливим, і робочим, як і раніше, доводиться переміщати важкі вантажі вручну», – говорить президент ActiveLink Хіроміті Фудзімото.

Наступним етапом роботи над Assist Suit буде зниження маси і скорочення вартості виробництва, після чого інженери компанії приступлять до створення екзоскелета для важкої фізичної праці. Завдяки новій моделі Assist Suit людина зможе переносити вантажі, які у звичайних умовах неможливо підняти поодинці.

Чого чекати в майбутньому

Коли-небудь, можливо, з’являться керовані екзоскелети для переміщення вантажів і, не виключено, для зведення великих інженерних споруд. Однак роботи-велетні, котрі розгулюють по містах майбутнього, як і раніше, будуть існувати тільки у фантастичних фільмах.

«На думку письменників-футуристів, це приголомшливі машини, але з практичної точки зору робот, що височіє на повен зріст над полем бою, – не найбільш вдала ідея», – говорить Вайсман.

Віджаякумар згоден: «Необхідні для їхнього створення технології частково вже є, але людиноподібні роботи з’являться лише в тому випадку, якщо ми знайдемо їм застосування. Чи буде в цих роботів по дві руки і дві ноги? Це хвилює тільки письменників-фантастів».

За матеріалами: BBC