89b6d7a6
Поиск:  
  
Конкурсы
Проекты
Мастерская
Клуб конструкторов
Форумы
Магазин
Книжная полка
Видеотека
Доска объявлений
Контакты

  






  ***

30.10.2004 - "Инженерная газета", ноябрь 2004, №44: Впереди — симбиоз живого и техники


РобоКлуб/Панорама/Пресса/30.10.2004 - "Инженерная газета", ноябрь 2004, №44: Впереди — симбиоз живого и техники




"Инженерная газета", ноябрь 2004, №44: Впереди — симбиоз живого и техники


Робототехника — одно из знаковых направлений развития науки и техники XXI века. Как машина-автомат принципиально нового типа, робот ворвался в сложившуюся структуру машин как что-то инородное. Настораживал сам факт, что он может быть и технологической машиной, и транспортной, и информационной, а может и вообще выпадать из этой категории, выполняя функции технологического приспособления или средства автоматизации.

Правда, и среди этих средств робот тоже стал «возмутителем спокойствия»: он породил новый термин — «роботизация», который никак не вписывался в понятие «автоматизация». До этого были известны манипуляторы, управляемые человеком, однопрограммные автоматические манипуляторы-автооператоры, «механические руки». Появившиеся манипуляторы с ЧПУ открывали принципиально новые возможности. Их назвали «роботами», а само новое научно-техническое направление - «робототехникой».


С самого начала в развитии робототехники обозначились две, сначала довольно <жа6о связанные цели — прикладная и фундаментальная. Прикладная цель была объективно обусловлена развитием современного производства, а именно — переходом к комплексной гибкой автоматизации, к гибким автоматизированным производствам. Здесь одной из первоочередных задач стало создание недостающего звена, способного заменить человека при выполнении различных манипуляционных операций.


Из этой задачи сразу же выделилась как самостоятельная проблема высвобождения людей от опасных и вредных работ. Затем, по мере развития робототехники она, естественно, трансформировалась в задачу создания средств робототехники, предназначенных для работ, которые принципиально не могут выполняться с помощью или даже просто в присутствии людей (дальний космос, глубины океана, новые интенсивные технологии). Возникли экстремальная робототехника, медицинская микроробототехника, биоробототехника, шагающие машины и другие специальные разделы.


Шагом к массовому применению стало появление роботостроения с международной кооперацией и специализацией. Постепенно сложились и определенные принципы построения, проектирования и применения средств робототехники, а также основанных на них технических систем. Определились основные области применения и перспективы их расширения, основанные на реальных технических и экономических характеристиках этой техники.


Принципиальный вопрос, — по какому пути идти робототехнике — в сторону повышения универсальности роботов или, наоборот, их специализации - разрешился признанием в качестве основного модульного принципа их построения. Этот принцип позволяет промышленности оперативно поставлять для выполнения самых разных технологических операций даже в единичных количествах роботы, собранные из хорошо отработанных унифицированных модулей. Таким образом, заманчивая идея создания сравнительно небольшого семейства универсальных роботов, близких их прототипу — человеку, была заменена идеей универсального набора компонентов роботов — модулей.


Сегодня роботы применяются практически во всех сферах человеческой деятельности. А уровень развития робототехники стал важным показателем научно-технического, промышленного и оборонного потенциалов страны.


Вторая, фундаментальная цель робототехники — экспериментальное изучение и воспроизведение феномена разумного поведения живых существ. В своем развитии эта проблема привела к появлению самостоятельного научно-технического направления, получившего название «искусственный интеллект».


То, что эта проблематика наиболее актуальна именно в робототехнике, вытекает из исходной идеи этой отрасли знаний - создание роботов как альтернативы занятого физическим трудом человека. Первый же опыт создания таких машин показал недостаточность и даже примитивность современной теории автоматического управления и информации по сравнению с задачами, решаемыми человеком при выполнении даже самых простых операций.


В этой связи были развернуты интенсивные экспериментальные исследования объектов типа «глаз-рука» и различных «очувствленных» мобильных объектов, которые продолжаются и сегодня. В последнее время к ним добавились исследования группового поведения подобных объектов (мультиагентные системы, игры роботов).


Это направление в робототехнике напрямую соответствует основной идее кибернетики — об общности информационно-управляющих процессов в технике и в живой природе. Одна из целей этого направления — воспроизведение процесса эволюции живой природы, поскольку именно робот является технической системой, которая реализует триаду «сенсоры — мозг— активаторы», замкнутую через внешнюю среду. Именно на базе роботов представляется возможным реализовать и исследовать известный тезис «рука создала человека».


Конечным научно-техническим результатом этих исследований должны стать принципы и методика самоусовершенствования интеллектуальных технических систем типа «робот». Это позволит спустить курок эволюционного совершенствования роботов, пределом для которого, разумеется, не будут интеллектуальные способности человека.


Конечно, это — эмпирика, но она даст результат, гарантированный опытом развития живой природы, эволюционное развитие которой — это тоже эмпирика, метод проб и ошибок.


Однако решить эту проблему в рамках одной робототехники нереально. Здесь необходимо скоординированное взаимодействие многих смежных научно-технических направлений. Хотя бы потому, что ее решение требует создания принципиально нового материально-технического обеспечения не только для информационно-управляющих систем (технические нейроподобные структуры и т. д.), но и для остальных компонентов названной выше триады — исполнительных систем и сенсоров.


Подобно тому, как робототехника стала одной из побудительных причин и полигоном развития работ в области искусственного интеллекта, она инициировала и проблему создания «искусственной мышцы». Речь идет о разработке принципиально новых приводных исполнительных систем с массогабаритными характеристиками, по крайней мере, на порядок лучшими, чем у подобных систем, основанных на современных электрических, гидравлических и пневматических приводах. Последние, как известно, более чем на порядок уступают по указанным характеристикам поперечно-полосатым мышцам животных.


Речь идет о принципиально новом подходе к построению приводов, также заимствованном у живой природы. И основанном на параллельно-последовательной работе сотен и тысяч элементарных микроактиваторов. Аналогичная проблема перехода к микромодульному построению стоит и перед сенсорными системами. Ее успешное решение будет иметь революционизирующее значение не только для робототехники, но и для всего машиностроения.


Что касается собственно робототехники, то ее прикладная «ветвь» в своем развитии быстро исчерпала научный задел, который был предоставлен ей, прежде всего, теорией автоматического управления и информатикой. А также технический задел в виде приводов и систем ЧПУ, заимствованный у станкостроителей. Поэтому сегодня ее дальнейший прогресс почти целиком зависит от успехов в решении названных фундаментальных проблем. Так сомкнулись первоначально почти не связанные два направления развития робототехники — прикладное и фундаментальное.


В начале своего развития робототехника пережила период романтизма, период «бури и натиска». Тогда казалось, что еще немного — и мы «схватим бога за бороду» — наступит «роботовладельческий» строй. На смену порожденных кибернетикой споров о том, «может ли машина мыслить» и превзойти в этом человека, разгорелись дискуссии об опасностях, которые могут принести роботы — вплоть до их бунта против человека.


Но затем пришли зрелость и прозрение: определился целый комплекс серьезнейших научно-технических проблем, которые стоят на пути к «царству роботов». Стало ясно: генеральное направление дальнейшего развития робототехники — это, прежде всего, комплексная миниатюризация компонентов и интеллектуализация в виде распределенного интеллекта, пронизывающего все составляющие роботов - от сенсорики до приводов и даже до конструктивных материалов и «кожи» (интеллектуальные материалы).


Эти проблемы соответствуют общим тенденциям развития техники в целом. Они тесно взаимосвязаны, можно сказать, как форма и содержание. Само понятие «интеллектуализации» (искусственного интеллекта) могло возникнуть и приобрести реальный смысл только на определенном этапе развития миниатюризации, прежде всего — в вычислительной технике. В робототехнике проблема интеллектуализации возникла, прежде всего, потому, что это соответствовало исходной идее робота.


Процесс миниатюризации изначально был связан с повышением точности и разрешающей способности создаваемых изделий. Именно последнее является основой для создания все более и более малоразмерных изделий.


Этот процесс начался с производства замков (слесарь — от немецкого слова schosser — замок, затвор и его же изготовитель. Кстати, и в английском языке слово слесарь — locksmith от того же корня «замок» — lock). Затем вышли в лидеры часовщики. Именно они создали первые механические изделия счетно-решающей (вычислительной) техники — арифмометры, интеграторы. В 50-е гг. механические интеграторы были заменены электромеханическими (в составе первых электромеханических вычислительных машин).


Второй этап миниатюризации начался на базе двухмерных (2D) технологий микроэлектроники, сопряженной уже с интеллектуализацией. Символ этого этапа — многослойные платы печатного монтажа. В них достигнута уже субмикронная точность. Но на рубеже XXI столетия, как известно, начался третий этап миниатюризации - на базе 3D-микросистемных технологий. Это уже — не электроника, а трехмерная электромеханика — микроэлектромеханические системы (МЭМС).


Каждый из перечисленных этапов не сменял предыдущий, а «надстраивал» над ним новый уровень. Так, ЗD-технологии развились на базе 2D-технологий, добавив механику движений, но с микронным разрешением. Впереди нас ожидает уже исследуемый этап нанотехнологий с молекулярной разрешающей способностью и использование органики — симбиоз живого и техники (биокомпьютеры). После этого, очевидно, наступит последний физически возможный этап миниатюризации — на атомном уровне.


Рассмотренный процесс, помимо возможности создания все более малоразмерных мини-, микро- и наносистем, создает техническую базу для разработки нового поколения даже крупномасштабных объектов — вплоть до тяжелого машиностроения. Они будут наделены принципиально новыми, в том числе — интеллектуальными функциональными возможностями и техническими характеристиками.


Интеллектуализация как процесс совершенствования информационно-управляющих возможностей техники так же прошла три этапа. Это — программное управление, адаптивное управление и, наконец, на базе микроэлектронной техники и технологий искусственного интеллекта (ИИ) возникло интеллектуальное управление.


Как и в процессе миниатюризации, здесь каждый последующий этап не заменял предыдущий, а поглощал его: адаптивное управление образует следующий уровень над программным, а интеллектуальное включает и программное управление, и адаптацию. Дальнейшее развитие искусственного интеллекта — коллективный интеллект (как у человека). А затем — и превышение интеллекта естественного.


Разумеется, имеется в виду узко специализированный профессиональный интеллект (например, уже не вызывает сомнений, что скоро компьютеры переиграют самых сильных шахматистов).


Сегодня уже можно назвать основные области применения робототехники, где в первую очередь будут реализовываться достижения в решении рассмотренных выше научно-технических проблем:


Робототехника наземного и воздушного базирования. Сюда относится создание автоводителей и автопилотов, решение проблемы «человеческого фактора» в человеко-машинных системах, робототехнические системы для действий в экстремальных условиях, в том числе — для вооруженных сил и других силовых структур, групповое применение роботов, в том числе — в конфликтных ситуациях, создание следующих интеллектуальных поколений таких роботов, ориентированных на автономное функционирование.


Особенно большие перспективы при этом связаны с микроробототехникой. Летающие, плавающие, ползающие и другие микророботы произведут качественные изменения во многих важнейших сферах человеческой деятельности.


Био- и медицинская робототехника. С ней связана как проблематика заимствования бионических решений, так и обратный процесс - «внедрение» робототехники в живые организмы. Начало последнему положило протезирование конечностей, а затем — усиление физических возможностей человека для функционирования в экстремальных условиях (активные скафандры, биоуправляемые шагающие машины). Наконец, появились новые поколения интеллектуальных протезов и экзоскелетонов, роботы-сиделки, робототехнические системы для реабилитации инвалидов, роботы-массажисты. Добавим сюда и такие новые области применения робототехники, как хирургия, в том числе — дистанционная, микророботы для внутрисосудистой и внутриполостной диагностики и хирургии.


Космическая робототехника. Сегодня это важнейшая часть очередного этапа развития космонавтики. К ней относится, прежде всего, освоение дальнего космоса, ближайших планет и Луны. Космическая робототехника открывает перспективы создания принципиально новых космических объектов и систем, в том числе - в околоземном пространстве, включая наноспутники, монтажно-сборочные и регламентные комплексы для работы на орбите.


Подводная робототехника. Наряду с космосом, это второе на правление «экспансии» человечества, в котором решающую роль должна играть робототехника нового поколения. Если человек-амфибия — это фантастика, то роботы-амфибии — это уже реальность. Достаточно вспомнить их работу по обследованию затонувших кораблей, использование подводных роботов-геологов. А, ведь, это, по существу, еще только предыстория подводной робототехники.


В настоящее время еще нет ни лунных, ни других космических баз, обслуживаемых саморемонтирующимися роботами. Нет и подобных подводных сооружений. Однако если сегодня основное на правление развития современного производства — это создание безлюдных комплексно-роботизированных предприятий, то тем более это должно относиться к освоению космоса и глубин океана.


Среди перспективных областей применения робототехники не названа промышленность. Объясняется это тем, что, хотя в обозримом будущем основой мирового парка по-прежнему останутся промышленные роботы, не этот, уже сложившийся раздел робототехники, будет определять ее развитие на рассмотренных выше на правлениях.


Робототехника — одно из тех направлений, которые в XXI веке определяют научно-технический, промышленный и оборонный потенциал каждой страны. И, соответственно, должна развиваться опережающими темпами.


В свое время в СССР робототехника получила значительное развитие на основе пятилетних государственных планов. Не только по парку и объему внедрения роботов, но и по научно-техническому уровню отечественная робототехника находилась на самых передовых позициях в мире.


К сожалению, с распадом СССР вся эта плановая работа по раз витию отечественной робототехники на государственном уровне прекратилась. Практически прекратилось и серийное производство роботов. Вместе с сокращением объемов производства, их парк уменьшился более чем на порядок. В результате разработки и объемы применения роботов в России сузились до задач обеспечения работ в экстремальных ситуациях (стихийные бедствия, аварии, борьба с террористами), когда без роботов задача не может быть решена.


Правда, и в это трудное время отечественная робототехника не утратила ранее достигнутого научно-технического уровня. И продолжает развиваться, в том числе, — путем участия в различных международных проектах и программах.


На рубеже 2000 года начали возрождаться и отраслевые, ведомственные научно-технические программы по робототехнике. Однако кардинальное возрождение отечественной робототехники и роботостроения, по-видимому, возможно только на основе долговременных межотраслевых научно-технических программ по линии Минобрнауки РФ.


 


 



Евгений Юревич, доктор технических наук, профессор