Правообладатель иллюстрации Battletech

Вам никогда не хотелось облачиться в механический экзоскелет, чтобы сразиться с врагом? Или, например, для того, чтобы переместить тяжелый предмет? Обозреватель BBC Future попытался понять, насколько сложно будет создать подобную машину.

Уже несколько десятилетий наше представление о будущем ведения войн связано с картинами шагающих по полю боя огромных человекоподобных боевых роботов, управляемых сидящими в них операторами - так называемых мехов (от английского mech). Они в каком-то смысле стали символом дальнейшего развития военных технологий.

Впервые управляемые двуногие роботы появились в японских мультфильмах жанра аниме, но вскоре попали и в британскую культуру благодаря таким научно-фантастическим сериалам, как "Роботек".

Тему человекоподобных боевых машин подхватил и Голливуд - они фигурируют в ряде блокбастеров, включая фильмы "Чужие", "Аватар" и "Тихоокеанский рубеж".

Но насколько осуществимо создание подобной машины в реальности? Увидим ли мы когда-нибудь шагающего робота, управляемого изнутри человеком?

Идеальна ли анатомия человека для робота?

Джордан Вайсман, разработчик из компании Harebrained Schemes, создавал тактические ролевые игры BattleTech с участием "мехов" еще в 1980-х годах.

В отличие от других подобных игр, конструкция роботов Вайсмана имела под собой серьезное техническое обоснование.

Они представляли собой стальной каркас-скелет, облаченный в плоть из искусственной мускулатуры, приводимой в движение благодаря электрическим импульсам. Каждый робот был также снабжен гироскопическим стабилизатором и бортовой электростанцией.

Основная идея конструкции роботов Вайсмана вполне разумна с научной точки зрения.

Придуманные им искусственные мышцы во многом напоминают электроактивные полимеры - материалы, меняющие форму при пропускании через них электрического тока.

"Эти пучки волокон, которые удлинялись или сокращались в зависимости от наличия или отсутствия напряжения, и были мышцами наших роботов, - объясняет Вайсман. - Сейчас, 30 лет спустя, похожие материалы используются в протезировании".

Правообладатель иллюстрации Megabots/Flickr Image caption Роботы MegaBot в целом человекоподобны, но используют для передвижения не ноги, а колеса

Одна из причин популярности идеи человекоподобных роботов заключается в том, что человеческое тело потрясающе эргономично.

"Анатомия человека идеально приспособлена для ходьбы по пересеченной местности или лазанья по скалам", - подчеркивает Роб Бакингем, директор лаборатории роботобехники RACE (Remote Applications in Challenging Environments) при Калэмском научном центре в Великобритании.

"Достаточно взглянуть на солдата, который способен нести груз, превышающий его собственный вес в несколько раз, передвигаясь по любому типу местности".

Однако процесс хождения на двух конечностях требует существенной сноровки, и контролировать устойчивость двуногого робота может оказаться трудной задачей.

Не упрощает ситуацию и то обстоятельство, что подобный агрегат будет достигать по крайней мере трех метров в высоту.

Профессор Сетху Виджаякумар из Эдинбургского робототехнического центра предполагает, что принципы управления таким роботом будут напоминать функционирование экзоскелета из фильма "Чужие": автоматическая система управления будет получать от оператора команды и выполнять их, внося дополнительные коррективы с целью обеспечения устойчивости.

"От оператора будут исходить команды высокого уровня, но очень много функций по контролю низшего порядка робот будет выполнять самостоятельно - например, поддерживать равновесие при ходьбе", - говорит Виджаякумар.

Непросто создать и источник энергии, необходимый для работы робота

На самом деле гораздо проще создать двуногого робота, управляемого человеком, чем машину, способную "думать" самостоятельно.

"Это вполне реалистичный сценарий с точки зрения технологии, - отмечает Виджаякумар. - Создание такого робота гораздо более реально, чем появление полностью автономной системы, поскольку разработка последней связана с множеством проблем - очень трудно наделить систему чувством восприятия и способностью принимать ситуативные решения".

Однако система управления таким роботом должна быть надежно защищена от хакерских атак и возможной потери информации и способна работать со скоростью 500 тысяч операций в секунду.

А что они будут есть?

Непросто создать и источник энергии, необходимый для работы. Вайсман снабдил своих роботов бортовыми термоядерными реакторами.

Однако, учитывая, что размеры современных реакторов такого типа примерно соответствуют размерам не самого маленького складского помещения, об их использовании для питания роботов, скорее всего, можно забыть.

Роботы в фильме "Тихоокеанский рубеж" были оборудованы ядерными реакторами. Эти реакторы действительно вырабатывают большое количество энергии, но их использование сопряжено с рисками безопасности.

"Современный уровень развития элементов питания и плотности энерговыделения пока не позволяет воплотить подобные сценарии в жизнь", - объясняет Виджаякумар.

Правообладатель иллюстрации Pha Pha/Wikipedia CC BY-SA 2.0 Image caption Колеса робота Kuratas - компромисс, призванный устранить технические сложности, которые возникают при создании двуногих механизмов

"Исследования в области ядерных топливных элементов ведутся, но все еще находятся на очень раннем этапе".

Слишком много информации

Еще одна проблема связана с ситуационной осведомленностью оператора.

"Мы добились определенных успехов в том, что касается управления роботом в реальном масштабе времени, в том числе обеспечения его устойчивости, - говорит Виджаякумар. - Мы знаем, как это реализовать"

"Но проблема заключается в том, что малейшее изменение в информации, поступающей от сенсоров, которые работают в реальном масштабе времени, приведет к сбою в системе управления".

Обратная тактильная связь с органами управления - наподобие той, что применяется в некоторых типах игровых джойстиков - была бы полезным способом передачи оператору данных о пространственном положении робота.

Однако если обеспечить такой дополнительный канал обратной связи, есть риск перегрузить оператора информацией.

Как научить их ходить?

Разумеется, чем больше размеры робота, тем он тяжелее. Давление равно соотношению силы, действующей перпендикулярно на поверхность, к площади этой поверхности.

У двуногих роботов значительная порция общей массы приходится как раз на нижние конечности. В результате создается "эффект шпилек", при котором вся масса робота давит на очень маленькую площадь поверхности.

Еще одна проблема двуногих роботов - "эффект шпилек", при котором вся масса машины давит на очень небольшую поверхность

"У женщины на каблуках-шпильках вся масса тела концентрируется на кончиках шпилек размером в несколько квадратных сантиметров, и в результате каблуки могут уходить глубоко в землю", - говорит Вайсман.

С похожей проблемой столкнулись немецкие конструкторы при разработке сверхтяжелого танка Maus во время Второй мировой войны.

Танк, весивший 188 тонн, хорошо показал себя на железобетонном покрытии, но на первом же полевом испытании увяз в грунте.

Не менее трудной задачей будет заставить робота ходить. Существуют гироскопические стабилизаторы, обеспечивающие устойчивость транспортных средств, таких как круизные лайнеры. Однако ходьба - это очень нестабильный процесс.

Мы передвигаемся за счет того, что наклоняем корпус вперед и не даем себе упасть, выставляя вперед то одну, то другую ногу. Кроме того, чем выше робот, тем труднее будет добиться его равновесия при ходьбе.

Правообладатель иллюстрации Superewer/Wikipedia Image caption Сверхтяжелый немецкий танк Maus увяз в грунте на полевых испытаниях

И робот Kuratas, разработанный японской компанией Suidobashi Heavy Industry, и Mark 2, созданный MegaBots, описываются конструкторами как "мехи".

Хотя оба робота антропоморфны, вместо прямохождения на двух конечностях они передвигаются при помощи колес.

Одна из проблем заключается в том, что копирование в робототехнике человеческой анатомии, которая отличается хорошим распределением нагрузок и энергии, представляет собой непростую задачу с инженерной точки зрения.

Обойти эту трудность можно было бы за счет установки на каждую из конечностей робота моторов, приводящих ее в движение, однако при этом потребовались бы высокомощные моторы для обеспечения баланса всего механизма в целом.

Мы способны создать человекоподобных роботов, но только если им будет найдено применение Сетху Виджаякумар

Масса таких моторов относительно велика, то есть конечности получились бы слишком тяжелыми, а это означало бы дополнительные трудности с балансировкой робота.

Проводились исследования искусственной мускулатуры с пневматическими приводами, но таких приводов на каждую конечность потребуется два - один для сгибания, другой для разгибания.

"При помощи пневмоприводов можно построить систему, состоящую из пяти конечностей, - говорит Виджаякумар. - Но если попытаться создать с их помощью двуногого робота, это будет кошмар с точки зрения электроники и проводки".

Для тяжелого физического труда

Японская компания ActiveLink уже вплотную приблизилась к началу производства своего экзоскелета под названием Assist Suit AWN-03, цель создания которого - устранить дефицит рабочей силы, вызванный общим старением населения.

Лебедки и вильчатые автопогрузчики подходят не для всех типов работ. "Есть виды труда, механизировать которые не представляется возможным, и рабочим по-прежнему приходится перемещать тяжелые грузы вручную", - говорит президент ActiveLink Хиромити Фудзимото.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Двуногие гуманоидные роботы - излюбленная тема писателей-фантастов, но в реальной жизни создать их будет непросто

Следующим этапом работы над Assist Suit будет снижение массы и сокращение стоимости производства, после чего инженеры компании приступят к созданию экзоскелета для тяжелого физического труда.

Благодаря новой модели Assist Suit человек сможет переносить грузы, которые в обычных условиях невозможно поднять в одиночку.

Когда-нибудь, возможно, появятся управляемые экзоскелеты для перемещения грузов и, не исключено, для возведения крупных инженерных сооружений.

Однако роботы-исполины, разгуливающие по городам будущего, по-прежнему будут существовать только в фантастических фильмах.

"По мнению писателей-футуристов, это потрясающие машины, но с практической точки зрения робот, высящийся во весь рост над полем боя, - не самая удачная идея", - говорит Вайсман.

Виджаякумар согласен: "Необходимые для их создания технологии частично уже имеются, но человекоподобные роботы появятся лишь в том случае, если мы найдем им применение. Будет ли у этих роботов по две руки и две ноги? Это волнует только писателей-фантастов".

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.