Роботы

"Будто человек не может делать все это!..".
А. Азимов

Общепризнанный термин "робот", введенный в обиход сравнительно недавно гениальным писателем Чапеком, являет собой редкий пример удачного моделирования будущего с помощью единственно доступного во все времена и всем людям инструмента. А именно, интуиции… Идеи механических работников попали на плодородную почву, и, что особенно интересно, с огромным опережением по времени вызвали в прямом смысле ажиотаж вокруг потенциальной проблемы сосуществования человека и машины. Оптимистическая фаза первой (интуитивной) волны интереса к роботизации дала миру сформулированные А. Азимовым "три закона робототехники" и, в полном согласии с теоремой Геделя о неполноте (вспомните аксиоматическо-догматический характер азимовского "человеко-машинного мира"), уступила место второй фазе — пессимистической. Последние ласточки роботооптимизма — "свихнувшиеся" и подобревшие интеллектуальные боевые машины из "Короткого замыкания" — навсегда ушли в прошлое. Новые кино- и литературные киберперсонажи (слава Богу, существующие пока только в воображении их авторов) враждебны и агрессивны "потому, что". То есть, объяснения их враждебности и агрессивности или следуют из попытки объяснить человеческие пороки, или совершенно невразумительны, или вообще отсутствуют: "Кричащие" (Screamers) и "Матрица" (Matrix) — лучшее тому подтверждение.

Параллельно с попытками решения глобального вопроса "выживания в среде, которую мы сами создаем" активно развивалась и прекрасно работает вполне нормальная промышленная роботизация, ведутся исследования и разработки новых и действительно полезных машин, условно называемых "роботами".

Проблемы

Увы, в робототехнике проблемы начинаются с определений. Что только не подразумевается под термином "робот" — от "механизма, который может двигаться автоматически" до "механического устройства, способного заменить человека при выполнении определенной работы". Дальше — хуже. Если речь идет об "автоматическом движении", то о каком именно? И вообще, с помощью чего, куда и зачем? То же самое можно сказать и о работе, которую в состоянии выполнять человек.

Симптоматичным кажется факт, что основной инженерный принцип (задача в более общей постановке решается проще и изящнее) в робототехнике не срабатывает — существует ряд успешно решенных частных проблем, классифицируемых как "робототехнические", а единственная наука роботизации — кибернетика, со времен Винера находится в зародышевом состоянии. Это свидетельствует о том, что робототехника пока еще больше искусство, чем наука.

Но и в искусстве есть свои технические приемы и задачи, требующие серьезных научных исследований. В современной робототехнике к таким задачам можно отнести распознавание образов и сцен, управление объектами со многими степенями свободы, определение изменений в окружающей среде (создание датчиков различного назначения) и, наконец, появление эффективных и технологичных механизмов взаимодействия с окружающей средой (исполнительных механизмов или актуаторов).

Увы, объем журнальной статьи не только не позволяет написать обстоятельный обзор достижений в каждой из перечисленных областей, но и ограничивает "поле зрения" интересами автора. С другой стороны, количество публикаций в "массовых" изданиях, посвященных современному состоянию дел в робототехнической области, катастрофически мал.

Один раз увидеть…

Распознавание образов и сцен заслуженно считалось во времена популярности кандидатских диссертаций "ну очень диссертабельной наукой". Тонны бумаги ежегодно изводились под результаты исследований, а вот сами результаты как-то незаметны. Хотя…

Одним из лучших образцов, демонстрирующих современные достижения в этой области, является неказистая "Лянча", над которой изрядно потрудилась небольшая команда итальянских ученых из университета г. Пармы. Длившийся почти 10 лет проект создания автономного транспортного средства Argo воплотил в жизнь давнюю мечту многих сказочных персонажей — обычная на вид "Лянча" способна ездить без всякого управления со стороны водителя, что подтверждается совершенным ею 2000-километровым "маршем" по дорогам Италии. Причем система управления "Argo" не содержит в себе ничего сверхъестественного, более того, основные компоненты ее смело можно назвать устаревшими: две копеечные черно-белые камеры с разрешением 360 линий, ПК с процессором Pentium 200 и 32 MB ОЗУ, PCI-карта от Matrox для "захвата" изображений с камер… Никаких параллельных супервычислителей, никаких спутниковых навигационных систем — Argo, как и обычный водитель, полагается только на видимую им (извините за это "очеловечивание") дорогу. Как и водитель-человек с помощью двух глаз, Argo следит за дорогой посредством разнесенных в пространстве салона двух видеокамер, обновляя визуальную информацию 25 раз в секунду. Стереоскопическое изображение, на основе которого главная управляющая программа Argo (названная GOLD — Generic Obstacle and Lane Detection, единое обнаружение препятствий и дорог) вырабатывает воздействия на органы управления машиной, формируется с использованием мощной алгоритмической базы — обратного перспективного отображения (IPM — Inverse Perspective Mapping). Собственно, теоретические исследования IPM и создание "скорострельного" ПО, реализующего IPM-алгоритмы в ОС Linux (именно эта операционная система отвечает "за безопасность движения" Argo), и есть та "сверхзадача", над которой итальянские ученые бились долгие 10 лет. Кроме того, исследователями из Пармы с помощью IPM решен ряд не менее сложных частных подзадач: обнаружение дороги и дорожной разметки, реконструкция геометрии дороги, выявление препятствий и их локализация, нахождение машин. Работоспособность используемых в Argo технологий подтверждается результатами испытаний — в ходе тестового пробега (2000 км) скромный ПК обработал 1,5 млн. изображений, "прокачав" через себя почти 330 GB видеоинформации, обеспечивающей формирование управляющих воздействий на рулевую колонку, акселератор и тормоза с периодом 40 мс (к слову, усредненное время реакции человека оценивается в 100 мс). На всех участках пробега средняя скорость движения составляла около 85 км/ч, максимального "разгона" Argo достигла на автостраде между Флоренцией и Пармой (123 км/ч), при этом 90% 2000-километрового пути машина прошла в полностью автоматическом режиме (максимальная продолжительность участка, на котором система брала управление на себя, — 54,3 км). Необходимость в ручной коррекции движения возникала на участках с очень интенсивным движением, плохой или отсутствующей дорожной разметкой и во время преодоления туннелей. Интересующиеся деталями проекта Argo могут получить дополнительную информацию (к сожалению, без особых технических и алгоритмических подробностей) на сайте проекта.

Совсем недавно лавры Argo начали примерять уже не исследователи, а промышленные компании — Volkswagen также анонсировала "самодвижущуюся повозку". Этот факт позволяет утверждать, что такая сложная задача, как распознавание быстроменяющихся сцен, по крайней мере в области дорожного движения, близится к успешному решению. Следовательно, в недалеком будущем к привычному уже в средних моделях автомобилей примитивному "круиз-контролю", поддерживающему постоянную скорость, добавится "полный контроль", значительно облегчающий жизнь водителя на дальних маршрутах и выполняющий дополнительную роль системы пассивной безопасности при ручном управлении.

Кроме "робомобилей", ближайшее будущее, вероятнее всего, уготавливает нам еще одну новинку — "роболеты". В ряде весьма специфических областей (в первую очередь, в военной), автономные летательные аппараты применяются сравнительно давно в разведывательных целях и как носители различных средств поражения. Но… Все военное, как известно, — слишком дорогое для повседневного мирного использования (надежность здесь не стесняются достигать любой ценой), да и военная специфика налагает целый ряд ограничений на возможности реализации, что ограничивает функциональность. Массовый рынок же требует вещей и надежных, и дешевых, и функционально насыщенных. И прототипы подобных изделий есть — в частности, пилотируемые роботом микровертолеты, разработанные исследовательской группой института роботизации (The Robotics Institute — TRI) при Университете Кэрнеджи Миллан (Carnegy Mellon). В отличие от аналогичных по функциональности разработок (например, созданных в ETH под руководством Н. Вирта) исследователи TRI сконцентрировались на создании схожей с GOLD (из проекта Argo) системы управления летательным аппаратом, основанной на распознавании визуальных образов и сцен. Названная "визуальным одометром" (visual odometer) система из шести цифровых сигнальных процессоров 60 раз в секунду обрабатывает 12 снимков местности под вертолетом, выделяя на ней характерные объекты. На основании полученной информации осуществляются привязка траектории полета и даже стабилизация вертолета в воздухе. Еще сравнительно недавно подобная технология (только со "снимками местности" в радиолокационном диапазоне) была доступна исключительно военным и использовалась в системах коррекции траектории крылатых ракет. Как и их коллеги из Италии, американские исследователи успешно доказали работоспособность своей системы управления в ходе испытаний "роболета" над кратером Хьютон в Канаде.

Или один раз потрогать?

Если увидеть можно и издалека, то вот для того, чтобы осязать, надо как минимум иметь руки и ноги. Ноги — чтобы подобраться к объекту, а руки — чтобы его осязать.

Шутки шутками, а в области робототехники управление манипуляторами с большим числом степеней свободы (жалкими подобиями наших, человеческих, конечностей) считается очень сложной областью. Еще сложнее, по-видимому, решить задачу построения эффективного и надежного шагающего робота, способного передвигаться по пересеченной местности. Активная исследовательская деятельность в этих областях ведется очень давно, но и в некритичных к стоимости применениях (военных, научных), и в массовых коммерческих шагающих машин пока почти не наблюдается.

Созданное человеческой моделью эволюции колесо побеждает порожденных этой же эволюцией шагающих монстров. Хотя некоторые разработки представляются весьма интересными, если не с практической, то просто с познавательной точки зрения.

Так, детище Питера Дилворта из Массачусетского Технологического Института (MIT), названное ласково Troody, уже научилось ходить на двух ногах. 16 степеней свободы этой модели двуногого динозавра (Troodon) требуют весьма серьезных вычислительных ресурсов — одного DSP Texas Instruments (модели TMS320C30 производительностью порядка 50 MFLOPS) и 8-битового контроллера Motorola. Электрический привод четырехкилограммового "монстра" содержит 14 сервомоторов и питается от никель-кадмиевых аккумуляторов, обеспечивающих время автономной работы около 45 мин. Процесс программирования Troody — обучение ходьбе — занял более года (что позволяет судить о его трудоемкости), но увенчался, можно сказать, успехом: "роботозавр" умеет бегать даже со скоростью 20 миль в час, сохраняя равновесие.

Если о практическом применении машин типа Troody говорить трудно, то разработки Университета Беркли, напротив, активно используются коммерческими компаниями в перспективных продуктах. Находящийся пока в исследовательской стадии (но уже работоспособный) проект Ariel (компания IS Robotics) разработан в лаборатории "многоногих машин" (polypedal) под руководством профессора Роберта Фулла. Система управления и приводы робота-амфибии Ariel копируют совершенную биологическую машину, идеально приспособленную к передвижению как по прибрежным участкам суши, так и по морскому дну. Проще говоря, Ariel представляет собой механико-электрическую модель краба. Назначение этой машины абсолютно прозаично — поиск и уничтожение донных мин, установленных в прибрежных водах. Еще одно совместное детище лаборатории Polypedal и компании IS Robotics — ползающий по отвесным стенам "робогеккон" Mecho-gecko, создаваемый в рамках исследовательской программы DARPA. Этот механизм комбинирует способы передвижения геккона и… таракана, а о том, где его предполагают использовать, можно только догадываться. К сожалению, открытых данных о системах управления этих роботов отыскать практически невозможно, но, вероятнее всего, они не намного "слабее" встроенного в Troody вычислителя.

Борьба со сложностью, свойственной процессам управления системами со многими степенями свободы, натолкнула исследователей NASA на идею создания принципиально отличающейся от предыдущих модели "робозмеи" Serpentine. Наглядно подтверждающий справедливость правила "разделяй и властвуй", робот Serpentine представляет собой гибкое соединение множества примитивных "подроботов" с ограниченным числом степеней свободы, управляющие вычислители которых соединены в сеть и выполняют программу имитации движений змеи. За счет избыточности Serpentine обладает недостижимой для моноблочных роботов надежностью при очень низкой стоимости реализации. В отличие от "числодробительной" мощи DSP, необходимой Troody для движения, Serpentine обходится установленными в каждый "подробот" 8-битовыми микроконтроллерами.

Но все эти разработки пока еще не вышли за пределы исследовательских лабораторий. А традиционное колесо, дополненное интеллектуальными возможностями современных микроконтроллеров и рядом заимствованных у "биомашин" идей, вероятнее всего, еще долго будет незаменимым. По крайней мере, практически все прототипы перспективных автономных исследовательских аппаратов для освоения планет Солнечной системы основаны на вариациях колесной схемы. "Космический Кот" (SpaceCat), спроектированный в швейцарском федеральном институте Лозанны, является достойным представителем современных "луноходов", простота управления движением которых позволяет освободить необходимые вычислительные ресурсы для решения достаточно сложных исследовательских задач.

Сила есть — ума…

Серьезнейшие трудности, возникающие на пути преодоления барьера сложности управления объектами со многими степенями свободы, некоторые ученые ассоциируют с неприспособленностью распространенных преобразователей "энергия—движение" к специфике решаемых задач. Действительно, люди научились достаточно эффективно преобразовывать различные виды энергии во вращательное движение (электромоторы, двигатели внутреннего сгорания и т. д.), но именно вращательное движение природа по каким-то причинам недолюбливает. Биологические механизмы им почти не пользуются. Вторичные же преобразователи искусственного происхождения (например, в линейное перемещение или возвратно-поступательное движение) и слишком сложны (следовательно, дороги и ненадежны), и обладают невысоким КПД. Но даже эти недостатки не являются главной трудностью для разработчиков робототехнических систем — в традиционных, с точки зрения теории автоматического управления, приводах типа "электрический двигатель — редуктор — датчики обратной связи" практически никогда не удается достичь обычных в природе показателей скорости и точности регулирования одновременно. За лишние элементы системы приходится платить…

Естественно, что ученые активно ищут альтернативные преобразователи энергии в движение, лишенные недостатков традиционных устройств. Одной из самых интересных и многообещающих теоретических областей, направленных на создание нового, пригодного для робототехники, двигателя, являются полимерметаллические соединения с ионным обменом (IPMC). О состоянии разработок в этой области лучше всего свидетельствует финансируемый Министерством обороны США проект DARPA с фантастическим названием "экзоскелетон", цель которого — создание в обозримом будущем кибермускульной оболочки для солдат. Одновременно несколько исследовательских лабораторий (Массачусетский Технологический Институт, Университет Беркли, Университет Нью-Мексико) уже добились серьезных достижений в области IPMC, громко именуемых в прессе "искусственными мышцами".

Основу IPMC составляют полимерные структуры, обладающие свойствами мембран, пропускающих ионы (Ion Exchange Membrane — IEM). С помощью химических реакций осуществляется "металлизация" IEM благородными металлами (золото, платина). Получившийся материал обладает эластичностью, но главные его свойства заключаются в способности значительно деформироваться при приложении небольших электрических напряжений и восстанавливать недеформированное состояние при отключении электрического воздействия. В отличие от распространенных сегодня пьезоэлектриков, IPMC требуют на два порядка меньших напряжений (единицы вольт), вызывающие, соответственно, на два порядка большие деформации. Несомненное достоинство "искусственных мышц" заключается в их принципиальной способности выступать одновременно в качестве сенсоров и актуаторов, что открывает принципиально новые возможности по созданию по-настоящему гибких и близких к природным конструкциям механизмов и машин. Обширную информацию об искусственных мышцах, включая отчеты о НИР, заинтересовавшиеся могут найти на сайте AMRI — Исследовательского института искусственных мышц.

Если с разработками в области "силы" для роботов ближайшего будущего достижения заметны невооруженным глазом, то вот с "умом", как обычно, проблемы. Под "умом" здесь понимаются не распознавательные способности (к слову, на фоне достижений в области распознавания образов и сцен, побед в понимании слитной речи вообще не наблюдается), а высокоуровневые адаптивные системы управления, ориентированные на выполнение ряда несвойственных привычным программам действий. Лучше всего понять, о чем идет речь, позволит один пример из реальной жизни, в котором роботам отводится исключительно важная и (вопреки всем мрачным прогнозам футурологов) истинно гуманная роль. А именно, речь идет о роботах, специально созданных для уничтожения противопехотных мин. Сравнительно простые задачи — перемещение по заминированной местности, обнаружение подозрительных объектов, классификация их, принятие решения об уничтожении или установке метки — на деле оказываются настолько сложными, что полностью автономных машин, способных их выполнять, не существует. Казалось бы, есть проблема, требующая решения (в Анголе, Боснии и многих недавно воевавших странах противопехотными минами усеяны огромные территории), есть все, на первый взгляд, необходимые технические средства, но… Полная автономность подразумевает способность управляющей программы адаптивно изменять поведение робота в соответствии и с изменяющейся обстановкой, и с предыдущим "опытом", и с основной задачей. Увы, подобных программ не существует, а для разминирования применяются очень дорогостоящие радиоуправляемые "игрушки".

В поле зрения интересующихся несуществующим "умом" роботов непременно попадают две разработки, несколько отдаленные от традиционного подхода к программированию. Во-первых, это нейронные сети, во-вторых, алгебры размытых (fuzzy) множеств. Увы, и здесь первоначальный ажиотаж давно спал — в некоторых областях основанные на этих идеях устройства и программы применяются достаточно активно, но, судя по оценкам аналитиков, в категорию "What hot?" (как в детской игре "горячо-холодно" — в "горячо") ни нейронные сети, ни нечеткая логика не попадают. Возможно, благодаря этому ряд действительно интересных и потенциально полезных не только в робототехнике разработок остается "за кадром". Так, воплощенная IBM в кремнии квинтэссенция fuzzy logic и нейропроцессоров — чип ZISC (процессор с нулевым(!) набором команд, Zero Instruction Set Computer) — уникальная 36-нейронная машина эквивалентна обычному микропроцессору с производительностью 2,2 млрд. операций в секунду при тактовой частоте всего 20 MHz! Ориентированные на решение задач классификации, ZISC и ему подобные микросхемы предоставляют разработчикам в области робототехники мощный и сравнительно недорогой инструмент, существенно снижающий требования к алгоритмической базе распознающих подсистем.

Спим спокойно

Даже насмотревшись всех этих "Терминаторов" и "Кричащих", пока еще можно спать спокойно — в обозримом будущем роботы нам не помешают. Другое дело, что и не очень-то помогут. Промышленные манипуляторы, предназначенные для выполнения циклических операций на конвейерах, да игрушки вроде Aibo от Sony — вот сегодняшний день робототехники. Единственное, что огорчает даже неисправимых оптимистов-футуристов, — смещение акцентов в проектировании робототехнических систем из области аппаратно-программной в биофизическую. Пока робкие попытки объединения живого и неживого в одном устройстве уже начинают приносить плоды — команда ученых под громким названием Cyberlife Research, использовав нейронную систему морской миноги, создала "искусственное животное". Двухколесный механизм "киборга" управляется размещенным в насыщенном кислородом физиологическом растворе головным и спинным мозгом миноги, где в качестве портов ввода/вывода используются клетки Мюллера (они достаточно велики) с внедренными в них электродами.

Монстр от Cyberlife пока способен реагировать только на свет, но уже демонстрирует классические в кибернетике формы поведения: следует за источником света, кружит вокруг него и т. д.

Что будет в будущем с подобными разработками, говорить пока трудно. Еще труднее понять, что станет с нами в мире таких киборгов?