"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.
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.
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?