Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.                                                                                                                   – Артур Кларк

В рамках проекта "В чем прелесть робототехники" мы написали ряд статей, рассказывающих о специфике и удивительных возможностях этого направления. В данной публикации мы расскажем как и когда появилась робототехника, какие она решает задачи и какие перспективы развития она открывает. Но прежде узнаем, откуда же появилось само слово "робототехника".

Этимология

Не только как наука, но и как слово, робототехника появилась совсем недавно. Понятию "робот" люди обязаны чешскому писателю Карелу Чапеку, который впервые использовал его в одной из своих научно-фантастических пьес (\(1920\) г). Само же слово "робототехника" (\(1941\) г) пришло к нам уже благодаря Айзеку Азимову. Будучи знаменитым писателем-фантастом, Айзек Азимов привлек внимание общественности к только-только зарождающейся сфере робототехники, благодаря чему стал одной из самых значимых фигур в мире технологий и искусственного интеллекта. В своих книгах он сформулировал знаменитые Три закона робототехники, затронувшие этику существования искусственного интеллекта. Спустя более полувека Три закона Айзека Азимова до сих пор находят отклик во многих работах уже современных писателей научно-фантастического жанра.

Айзек Азимов, 1965 год. Источник: Wikimedia Commons

Зарождение робототехники

Современные технологии, используемые робототехниками, появились сравнительно недавно, поэтому на первый взгляд может показаться, что вся история робототехники легко поместится на парочке страниц обычного учебника.

С одной стороны, так и есть, ведь робототехника – это очень молодая наука, начавшая свое стремительное развитие буквально \(10\) лет назад. Однако уже с незапамятных времен люди размышляли об одушевлении неживых предметов, которые бы повторяли поведение живого. Правда, тогда стремление человека к одушевлению неживого мира носило вовсе не технический, а скорее религиозно-обрядовый характер. Например, поклоняясь образам Шивы и Шакти, индуисты наделяли статуи богов "жизнью" и душой.

Может показаться, что связь между языческими статуями и современными роботами необоснованна и даже преувеличена. На самом же деле благодаря простому желанию древнего человека наделить жизнью окружающий его мир, робототехника заблестела тусклым огоньком в мире без технологий и науки. Идея робототехники не появилась в одно мгновение, люди шли к ней очень долго!

Первые прототипы роботов

Достоверных примеров древних роботов, дошедших до нас, не так много. Одним из таких является робот Леонардо да Винчи, способный двигать руками, шеей, и даже садиться и вставать. Этот человекообразный робот пусть был и не очень полезным, но зато материальным!

“Робот” в доспехах. По чертежам Леонардо да Винчи 1495 года исследователи реконструировали этот механизм. Источник: Wikimedia Commons

Менее достоверных примеров аппаратов, напоминающих роботов, находится куда больше. Одним из таких является созданная Жаком де Вокансонсом примерно в \(1739\) году медная механическая утка-игрушка, которая могла махать крыльями и клевать корм. Достоверных источников, действительно показывающих строение и работу "робоутки", не найдено: считается, что механическая утка сгорела в пожаре, а чертежи были утеряны.

Уже на примере робота-утки и механического человека можно распознать стремление людей к подражанию природе и созданию человекообразных роботов-андроидов. Этот основной принцип сохраняется и по сей день. Примечательно, что характер игрушки утки исключительно развлекательный, а вот цель создания робота Леонардо да Винчи по-прежнему остается неясной. Тем не менее тяжело заметить явную практичность в обоих изобретениях. Способны ли они приносить пользу, выполнять сложные задачи и брать большую часть труда на себя? Едва ли. Так когда же робототехника стала принимать более привычный нам вид?

Все началось с Индустриальной Революции. Не столько смелая фантазия, сколько нужда толкала человека изобретать машины и аппараты, способные облегчить его тяжелую ношу. С самого развития ремесленничества люди искали всевозможные пути увеличения производительности труда. Апогеем этого желания стали три индустриальные революции.

Во время первой (середина XVIII - начало XIX века) люди перешли от ручного труда к машинному производству, что позволило производить продукты в больших объемах за короткие сроки. На этом люди не остановились, и пришла вторая революция (середина XIX - начало XX века), которая привела к развитию и усовершенствованию машинного производства, электрификации, улучшению системы связи и, как следствие, глобализации. Наконец, третья индустриальная революция (середина XX века) обеспечила все необходимые условия для становления робототехники в том виде, в каком мы ее знаем. Венцом творения третьей революции стало изобретение транзистора, который и положил начало робототехники. Именно в это время, когда начали создаваться первые роботы, отдаленно напоминающие автономных, был задан вектор развития современной робототехники.

1986 год. Робот Unimate Pumo, который был использован компанией General Motors в конвейерном производстве автомобилей. Источник изображения

Что мы подразумеваем под робототехникой сегодня?

На сегодняшний день робототехника принимает различные формы. Это не только прикладная, но еще и научно-исследовательская, а также опытно-конструктивная наука. В то время как прикладная наука перемещает накопленные научные знания прямо в индустрию, исследовательская изучает предмет более абстрактно, например, отвечая на вопрос как улучшить современных роботов. Одним из примеров такой модернизации может послужить методика Evolutionary Robotics, дословно "Эволюционная Робототехника", в которой ученые моделируют процесс естественного отбора для роботов: выживает сильнейший и наиболее приспособленный. Таким образом, выбираются роботы,обладающие наилучшими характеристиками в своей специализированной сфере работы.

Направления робототехники

Несмотря на то, что робототехника очень молода, у нее уже образовалось множество направлений и специализаций. Одним из самых ярких примеров является мягкая робототехника. Инженеры-робототехники этого направления конструируют роботов из мягких, гибких и эластичных материалов, подобным тканям живых организмов. Мягкие роботы служат там, где необходима способность протискиваться в различные углубления или узкие проходы, недоступные более жестким роботам. Благодаря этой способности их используют в исследованиях океана и космоса, в хлебобулочной индустрии, в хирургии и эндоскопии, а также при создании искусственных органов.

Робот на мягких ногах. Источник: Wikimedia Commons

Благодаря симбиозу робототехники с другими самыми разнообразными науками, уже сейчас рождаются будоражащие сферы на рубеже будущего. Наномедицина – одна из тех областей, которую пока сложно представить в реальности. Ее задача заключается в лечении людей на молекулярном уровне, в том числе с использованием нанороботов. Представьте, насколько эффектно и поразительно по своей точности может быть точечное удаление раковых клеток!

Классификация роботов

Важно отметить, что роботов тяжело квалифицировать только по одному признаку. Если разделять роботов по назначению, то можно выделить три основных типа: бытовой, промышленный и военный. Если опираться на характер работы как на основной критерий, то существуют роботы для выполнения работы в опасных средах, репетативной (повторяющейся) работы и той, что требует высокую точность и надежность. Рассмотрим некоторые типы роботов подробнее.

Высокая точность и надежность требуется, например, в глазной хирургии при оперировании самого "нежного" человеческого органа. Роботы-хирурги уже повсеместно используются во многих странах мира, а число разных операций, которые способен выполнить всего один робот "da Vinci", доходит до нескольких десятков.

Оперирующая часть робота-хирурга "da Vinci", работающего совместно с хирургом-оператором. Источник: Wikimedia Commons

Работы, угрожающей человеческой жизни, тоже существует очень много: обезвреживание бомб, очистка загрязненной радиацией земли, работа под огромным давлением или в труднодоступных местах, вроде затонувших кораблей, нефтяных вышек или шахт, а также работа при неимоверно высоких или низких температурах. Со всем этим нам тоже помогают роботы.

К репетативной, иначе, монотонной работе в основном относится производство, упаковка и транспортировка товаров на производстве. Стоит отдать должное всем роботам-трудягам, заменяющих людей на скучных и опасных работах. Благодаря им бутылку, из которой вы пьете, никто руками не создавал, и воду в нее никто лично не наливал – все давно поставлено на конвейер.

Робот немецкой фирмы KUKA для паллетирования. Источник: KUKA Media Library
Робот KUKA в кооперации с людьми Источник: KUKA Media Library

Кроме роботов, используемых в индустрии, существуют и другие, так называемые социальные или бытовые роботы. Они услужливо объяснят куда и как пройти, что-то принесут или подадут. На первый взгляд "грубые" роботы нашли необычное применение и в педагогике для работы с детьми с расстройством аутистического спектра. Дети часто доверяют роботу больше, чем взрослым, что облегчает сам процесс обучения.

Робот Pepper компании Aldebaran Robotics, который способен работать в качестве администратора и проводника. Источник: Wikimedia Commons

Общие черты роботов

У всех существующих роботов есть универсальные общие характеристики. Сразу бросается в глаза механическая оболочка, "одежда", в которую мы одеваем робота, чтобы он выполнял поставленную перед ним задачу. У каждого робота есть оболочка, состав и форму которой определяет функция робота. Но для понимания функции робота разработчикам необходимо сформулировать его предназначение: будет ли робот толкать, поднимать или крутить предметы? Какого размера эти предметы? Будет ли он стоять на месте или двигаться? Если двигаться, то по какой местности? По грязи, топким болотам и ямам, а может по ровному полу завода? Только дав ответы на эти и многие другие вопросы, инженер может точно понять какую форму должен иметь робот.

Манипуляторы ("руки робота") бывают различных форм для различных целей. Роботизированная рука Canadarm2 Канадского Космического Агентства. Источник: NASA

Завершив инспекцию снаружи, заглянем поглубже внутрь. Вторая неотъемлемая черта роботов – электронные компоненты, необходимые для "оживления", питания и приведения в движение робота. Кроме этого, электронные компоненты выполняют роль сенсоров, оснащая робота глазами, ушами и прочими осязательными органами.

Когда робот способен ощущать мир вокруг себя, разработчикам необходимо обеспечить общение с ним самим. Для осуществления коммуникации между механической конструкцией и человеком необходимо прописать программный код, благодаря которому люди способны обмениваться данными с роботом на языке силы тока и напряжения. Программный код – это третья неотъемлемая часть всех роботов. Используя его, человек получает возможность управлять роботом.

Хочется отметить, что контроль и управление роботом – тема обширная и ужасно интересная, которая точно достойна отдельной статьи в рамках нашего цикла. Поэтому подробно останавливаться на ней не будем. Упомянем лишь то, что в контексте управления часто используется понятие автономности (самостоятельности) робота при выполнении определенных задач. К примеру, индустриальный конвейерный робот достаточно автономен на производстве, однако у него нет собственного интеллекта, так как работает он по строгому шаблону, заданному разработчиком. Автономность роботов строго регулируется робоэтикой, дабы не претворить в жизнь печальные сюжеты антиутопий писателей-фантастов.

Робототехнические навыки и роботы из подручных материалов

Робототехнику изучать не только интересно, но и полезно. При изучении школьной или университетской образовательной робототехники отлично развивается множество незаменимых в жизни навыков, таких как быстрое построение причинно-следственных связей и самостоятельность в обучении. Олимпиадная робототехника предоставляет ценный опыт командной работы, способствует развитию лидерских качеств, навыков презентации проекта и критического мышления, просто необходимого для решения неожиданных проблем.

Робототехника – своего рода искусство, требующее творческого подхода и немалую долю креатива, ведь робот может состоять практически из любых твердых материалов. Робот может быть сконструирован из сложных отливных титановых деталей, карбона и авиационного алюминия, запрограммирован на кастомных микроконтроллерах с уникальными печатными платами. Но он может быть построен и в маленькой школьной лаборатории из алюминиевых реек, ПВХ, пластмассовых деталей, напечатанных на \(3\)D-принтере, и нескольких плат Arduino или Lego EV\(3\). Робототехника не терпит строгих рамок и ограничений, поэтому простор для полета мысли и разнообразие возможностей выводят робототехнику на совершенно новый уровень, делая ее доступной как для инженеров-механиков, так и для обычных школьников.

Заключение

Робототехника еще очень юна. Хотя ее путь и наполнен неопределённостью, свободы действий у робототехники нескончаемо много. Наше поколение застало робототехнику в одном из ее лучших обличий, имея возможность вместе с ней двигаться по захватывающему пути в будущее всего человечества. Робототехника так метко показывает, что можно не только адаптироваться к переменам, но и самим стать источником перемен!

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова.