Введение
Уже не первое десятилетие инженеры-робототехники пытаются создать робота, способного бегать так же хорошо, как животные. На это потрачены годы работы и миллионы долларов. Однако многие животные по-прежнему способны на такие подвиги, которые остаются недостижимыми даже для самых современных роботов.
Например:
- Антилопа гну может мигрировать на тысячи километров по пересеченной местности
- Горный козел способен взбираться по отвесным скалам, цепляясь за едва заметные выступы
- Тараканы умудряются быстро бегать даже после потери конечности
Ни один из существующих роботов и близко не способен продемонстрировать такую выносливость, ловкость и живучесть. Чтобы разобраться, почему роботы настолько отстают от животных, междисциплинарная группа ученых и инженеров из ведущих исследовательских университетов провела детальное исследование различных аспектов бегающих роботов в сравнении с их биологическими аналогами. Результаты опубликованы в журнале Science Robotics.
Сравнение подсистем бегающих роботов и животных
Исследователи изучили пять основных подсистем, которые в совокупности обеспечивают возможность бега у роботов и животных:
- Питание (Power)
- Каркас/скелет (Frame)
- Приводы/мышцы (Actuation)
- Сенсоры (Sensing)
- Управление (Control)
Сравнивая каждую подсистему по отдельности, ученые пришли к неожиданному выводу. Вопреки распространенному мнению, биологические компоненты животных по инженерным метрикам во многих случаях уступают своим искусственным аналогам в роботах, иногда даже радикально.
| Подсистема | Животные | Роботы |
|---|---|---|
| Питание | Более эффективное, но ограниченное | Менее эффективное, но с большим запасом |
| Каркас | Легкий и прочный, но менее жесткий | Тяжелый, но очень жесткий и прочный |
| Приводы | Сила и эластичность, но низкая скорость | Высокая скорость и мощность, но хрупкость |
| Сенсоры | Разнообразные и адаптивные, но «шумные» | Точные и быстрые, но ограниченные |
| Управление | Адаптивное, обучаемое, но сложное | Программируемое, но негибкое |
В чем же секрет превосходства животных?
Казалось бы, если по отдельности инженерные компоненты не уступают, а то и превосходят биологические, робот должен обгонять животное. Однако на деле все совсем не так. При сравнении на уровне целых систем животные демонстрируют потрясающие способности к передвижению, до которых роботам еще очень далеко.
Секрет кроется в том, в чем биологические системы действительно превосходят любые существующие роботы — в интеграции и управлении всеми компонентами. Эволюция потратила миллионы лет на то, чтобы отточить механизмы слаженной работы мышц, связок, сухожилий, сенсорных систем и нервных цепей.
У роботов, при всех достижениях современных технологий, такой идеальной «притирки» всех узлов и алгоритмов управления пока нет. Поэтому даже имея очень мощные и качественные компоненты, роботы в целом сильно проигрывают животным по параметрам выносливости, ловкости и адаптивности к неровностям и препятствиям.
Чему робототехника может научиться у природы?
Исследователи отмечают, что прогресс в робототехнике, особенно в свете последних достижений, идет очень быстрыми темпами. Можно сказать, что по скорости развития роботы уже обгоняют эволюцию, просто у последней был многомиллионный «форы».
Кроме того, у роботов есть важное преимущество — возможность целенаправленного «обучения» и мгновенного переноса новых алгоритмов управления на все остальные машины. Эволюция же слепа и полагается только на случайные мутации и медленный естественный отбор.
Так что у роботов есть все шансы догнать и перегнать животных. Для этого робототехникам нужно взять на вооружение основной принцип живых систем — их целостность и идеальную интеграцию всех компонентов в единую слаженную систему.
Исследование показывает, что прорыв стоит искать не столько в дальнейшем улучшении отдельных узлов и механизмов, сколько в разработке новых подходов к интеграции уже существующих компонентов и методов управления ими. Биология здесь может служить богатейшим источником идей и стратегий.
Заключение
Как только инженерам удастся перенять у природы ключевые принципы интеграции и контроля, бегающие роботы смогут сравняться по эффективности, ловкости и живучести со своими биологическими аналогами. И тогда они наверняка найдут массу применений — от доставки грузов в труднодоступные места и спасательных операций до работы с опасными материалами.
Вдохновляющие примеры из животного мира, такие как антилопы гну, горные козлы и тараканы, показывают, что нынешнее отставание роботов — лишь вопрос времени. При правильной стратегии развития робототехники этот разрыв в будущем непременно будет преодолен.