Для чего это нужно?

Ученые движутся в этом направлении, естественно, не ради порабощения себе подобных. Двигатель развития робототехники — идея покорения космоса. Вот человек отправляет дорогостоящие одноразовые роверы на Луну и на Марс и не знает, с чем машине придется столкнуться. Какими параметрами должен обладать первый завод, построенный на далекой планете? Как распределить имеющиеся ресурсы, чтобы достичь поставленной цели? Мы можем рассчитать все до мелочей, однако, если не учесть какого-то важного, но неведомого нам обстоятельства, пропадут все наши расчеты. Чтобы справиться с неуверенностью в деле освоения неизвестных пространств, целесообразней отправить туда пару тысяч модулей. Они там сами посмотрят, в чем дело, и сами из себя же сделают что надо. В общем, в модульных роботах соединились фантазии Мюнхгаузена и новейшие разработки робототехники. Однако не склонное к шуткам NASA недавно выделило многомиллионный грант на строительство модульного робота Superbot. В проекте на базе университета Южной Калифорнии (USC) в Лос-Анджелесе принимали участие лаборатории со всего мира.

В лаборатории распределенной робототехники (Distributed Robotics Lab) Массачусетсского технологического института (MIT) под началом профессора Даниэлы Рус строятся модульные системы самого различного толка. Например, Shady3D, разработка Йеорема Юна, — это робот, модули которого способны построить ферму (опорную структуру) из самих себя и металлических брусков. Он демонстрирует возможность самосборных и самореконфигурируемых ферм, которые могут пригодиться в том числе и в космосе. Или проект Кайла Гилпина — «саморазбирающаяся» система Miche. Программно задав Miche желанную конечную форму, мы можем наблюдать, как миниатюрные кубики-модули отпадают от изначальной конфигурации, а остаются только нужные. При этом полученные модели будут не только правильными по форме, но и функциональными.

Однако ученые-исследователи и изобретатели модульных трансформеров, как еще называют эти системы, движимы не только практическими соображениями. Самоорганизация и самовоспроизводство — два важнейших свойства живых организмов. И вот в прошлом году мы приблизились к пониманию этих фундаментальных принципов жизни еще на одну ступень: система Molecube смогла соорудить из отдельных кубиков копию самой себя!

 

Как это работает?

Одни из важнейших элементов самореконфигурируемой модульной системы — соединения между модулями. Каждое соединение должно быть достаточно прочным, чтобы выдерживать вес нескольких модулей. В современных системах применяется два типа соединений — механические и электромагнитные. Механическое соединение приводится в движение микроэлектродвигателями, для чего требуется большое количество энергии. Для поставки энергии нужны мощные и, соответственно, тяжелые аккумуляторы, увеличивающие вес модуля, что влечет за собой увеличение мощности двигателя, а значит, и поглощения энергии… Получается порочный круг и в результате — далекие от идеала крупногабаритные модули. С другой стороны, использование поляризованных электромагнитных сторон чревато латеральной нестабильностью соединений. Иными словами, если соединение держит нагрузку под углом к оси максимальной эффективности магнита, то может произойти смещение магнитных сторон и модули разъединятся.

Самособирающиеся биологические системы, например генная молекула РНК, используют химические соединения, прочность которых обусловлена микроскопическими размерами биологических «модулей», то есть атомов углерода, водорода и т. д. Подобное соотношение прочности соединения и веса модулей нельзя воспроизвести на макроскопическом уровне в металле, пластике и кремнии. Но возможно, вскоре создать такое соединение удастся нанотехнологам или ученым-материаловедам. Однако пока разработка прочных соединений остается нерешенной задачей модульной робототехники.

Даже самые микроскопические модульные роботы должны быть управляемы, желательно автоматически. Но как заставить кучку кирпичей выполнять определенные функции? У модульных роботов нет единого мозгового центра, одного компьютера, который мог бы управлять всеми степенями свободы. Однако программист имеет дело с большим количеством идентичных микропроцессоров, каждый из которых встроен в собственный модуль, весьма ограниченный в восприятии мира и своих способностях действовать в нем. И это множество надо заставить работать координированно ради общей цели. В принципе, это осуществимо при помощи коммуникации между соседними, соединенными модулями. Например, стоит задача перенести все модули из пункта А в пункт Б. Раз нет центрального управления, вместо этой простой команды каждому модулю задаются одинаковые правила, следуя которым они вместе достигнут желаемого результата: если сверху есть свободное место, а справа — соединение с соседним модулем, «зарезервируй» это место и двигайся туда; если над тобой «зарезервировали» место, не пускай туда других… Загвоздка в том, что человеку свойственно думать централизованно и последовательно и создание алгоритмов распределенного управления представляется нам трудным. Программное обеспечение в современных модульных системах пишется либо старым, проверенным методом проб и ошибок, либо при помощи генетических алгоритмов или методов машинного обучения.

В любом случае на сегодняшний день модульные роботы способны координированно совершить только узкий круг действий — например, передвигаться, сохраняя определенную конфигурацию. Автоматизация написания распределенного ПО позволит нам в будущем обеспечить выполнение более сложных задач. Так что поле деятельности остается открытым и, хочется надеяться, плодородным.

Смотрите также движение и трансформации модульного робота SuperBot.

Опыт самовоспроизводства

 

 

Одна из важнейших способностей живого организма и модульного робота — самовоспроизводство.

Согласно концепции модульных роботов, все модули должны быть одинаковыми и взаимозаменяемыми. Каждый из них содержит схемы всех возможных конструкций и описания ролей для каждого их элемента. В любой конструкции один модуль становится главным. К нему последовательно, по цепочке, передается информация от всех остальных модулей, он назначает им роли в соответствии с их положением и передает команды. Каждый новый модуль, присоединяющийся к конструкции, опрашивает соседей, узнает о наличии главного модуля и подчиняется его командам. Таким образом, удается частично перейти от распределенного программирования к привычному централизованному.

На практике алгоритм выглядит несколько сложнее. Из-за ограниченной подвижности модулей им приходится совершать больше движений и принимать сложные формы. Однако общая схема самовоспроизводства остается неизменной.

Робот на «липучках»

 

 

Робот Shady — упрощенный «двумерный» вариант разработки Йеорема Юна Shady3D. Робот передвигается с помощью двух зажимов, расположенных в его передней и задней части, и специальных ротационных механизмов, позволяющих Shady вращаться вокруг каждого из зажимов. Передвижения робота выглядят так: он прицепляется к опорной поверхности одним из своих зажимов и проворачивается вокруг этого зажима до тех пор, пока второй зажим не прикрепится к опорной поверхности, и так далее. Несколько подобных модулей (в трехмерном, пространственном варианте) способны построить из самих себя и металлических брусков опорную конструкцию, что очень может пригодиться в космосе.

Робот завтрашнего дня

Непосредственное участие в разработке системы Molecube группой Корнеллского университета принимает аспирант Виктор Зыков. Он поделился с нами своим видением будущего модульных роботов.

О воспроизведении. До сих пор никто не думал, что машины могут создавать что-либо сравнимое по сложности с ними самими, но наш эксперимент показал: это возможно. Также мы поняли, что нет никаких ограничений для создания машинами более сложных машин, чем они сами.

О саморемонте. Пока еще не существует промышленных роботов с функциями физического авторемонта. Вместо него используется дублирование электронных систем, в очень редких случаях — дублирование механики. Восстановлением вышедшей из строя техники по-прежнему занимаются люди. Но если робот может «отремонтировать себя» на 100%, значит, ему под силу и частичный авторемонт. Одна из наших важнейших задач — научить роботов ремонтировать самих себя.

О вечной жизни. На примере системы Molecube видно, что нет необходимости утилизировать всего робота, если только один или два модуля вышли из строя. Такой постепенный, частичный выход машины из строя, скомпенсированный текущим частичным авторемонтом, позволяет поддерживать ее в рабочем состоянии постоянно.

О миниатюризации. Будущее модульной робототехники связано с миниатюризацией компонентов и предоставлением им возможности адаптации и специализации. С середины 2004 года мы работаем над созданием технологии и алгоритмов для строительства систем модульных роботов, состоящих из компонентов размером в сотни или даже десятки микрон. Разумеется, пока мы создаем их «крупнокалиберные» прототипы, но наша цель — разработка методики манипулирования микроскопическими модулями и исследование технологии их создания.

О сферах применения. Разработки крупномасштабных модульных роботов сегодня больше всего интересуют NASA. Они нужны для автоматизации процесса освоения планет и универсализации используемой при этом техники. Современная технология пока не позволяет строить и использовать роботов на основе микромодулей, но тем не менее уже существующие системы крупномасштабных модулей явно демонстрируют преимущества модульной структуры.

О возможном порабощении человека машинами. Сегодняшние воспроизводящиеся машины чрезвычайно просты и ни на какую самодеятельность не способны. Используемое ПО и ограничения по объему памяти позволяют роботу лишь строить свою копию. Порабощение людей роботами кажется мне менее серьезной угрозой, чем, например, возможность непреднамеренного изменения структуры ДНК человека или появление новых опасных вирусов. Интересный взгляд на эту тему можно найти в книге Рэя Курцвейля The Age of Spiritual Machines. Согласно Курцвейлю, сравнительно недавно началось сближение технологии и биологии человека — люди пользуются робототехническими протезами, искусственными органами слуха и зрения, интегрированными с нервной системой человека, а роботы, в свою очередь, начинают самовоспроизводиться, обретают клеточную структуру и манеры общения. Человечество постепенно привыкает к подобным достижениям, принимая их как «нормальные» и «полезные». По мере развития этого процесса грани между техникой и биологией будут стираться.