Как создать робота-осьминога

Осьминог, умный, сильный и гибкий — перспективная модель для создания совершенно нового типа многорукого универсального робота
Осьминоги — одни из самых сложных, необычных и разумных созданий в океане. Они могут протискиваться в отверстия меньше монеты, тянуть с силой в сотни фунтов и мгновенно изменять цвет и структуру своей кожи, а их мозг размером с грецкий орех позволяет им откупорить баночку с пилюлями, рассчитанную на то, чтобы ее не мог открыть ребенок. Такой богатый выбор способностей животного заставил инженеров задуматься о создании робота, который вел бы себя как осьминог.

Международная группа OCTOPUS Integrating Project, в работе которой участвуют ряд организаций, пытается решить именно эту задачу. Она работает над созданием полностью автономного робота-осьминога, который мог бы, подобно живому моллюску, выполнять манипуляции, недоступные для роботов с жесткими членами.

Координирует эту работу Чечилия Ласки (Cecilia Laschi) из Колледжа передовых исследований св. Анны в Пизе (Италия). В 2010 г. она и ее коллеги создали прототип отдельного щупальца, а сегодня работают над остальными частями тела «осьминога» от верхушки мантии до кончика щупальца. Их цель— создание робота, который мог бы двигаться под водой как живой осьминог и маневрировать в тесных пространствах. Такое автоматизированное устройство было бы бесценным для
поисково-спасательных работ и исследований. Возможно. еще более важная цель проекта — доказать саму возможность создания целиком мягкотелого робота.

Я побывала в лаборатории Ласки и ее коллег в Ливорно, недалеко от Пизы. Одна из сотрудниц Ласки, специалист по биороботам доктор Лаура Маргери (Laura Margheri), провела меня в небольшое здание на берегу. Множество боковых дверей внутри него были раскрыты настежь, позволяя мягкому лигурийскому бризу разгуливать повеем помещениям и открывая вид на яхты в гавани. В комнате — ряды рабочих мест, где несколько аспирантов и молодых ученых работали на компьютерах и возились с прототипами. В центре помещения находился большой хорошо оборудованный и украшенный камнями аквариум с морской водой, где жили морские звезды и один немолодой, но активный осьминог по имени Андреино (в честь бывшего сотрудника лаборатории, который поймал его) — талисман команды.

Маргери исследует природные особенности осьминога в надежде смоделировать их в роботе. Она организовала несколько хитроумных экспериментов, чтобы понять, каким образом эти моллюски растягивают свои мускулистые гидростатические щупальца. В одном из таких экспериментов осьминог вытягивал щупальце, чтобы достать лакомство из длинной трубы (научиться этому он может всего за несколько уроков в течение двух дней). Затем Маргери помещала пищу еще дальше в трубу и измеряла. насколько могут вытягиваться эти подобные языку щупальца. Оказалось, почти вдвое: задачка для инженеров.

Сама Ласки, руководитель проекта, раньше занималась более традиционными роботами. «Я привыкла иметь дело с роботами, обладающими жесткими членами», — говорит она. Поработав с нейробиологами и узнав больше о мозге человека и о том, как мы координируем свои движения. Ласки почувствовала некоторую неудовлетворенность традиционной жесткостью классических роботов и отсутствием у них структур, подобных мышцам. Поэтому она и несколько ее коллег, сведущих в биотехнике, начали планировать дерзкий проект по созданию мягкотелого робота. А что может быть более подходящей моделью, чем осьминог? «Мягкие ткани есть у всех живых организмов, но осьминог занимает особое положение, поскольку он целиком состоит только из мягких тканей (не считая клюва, разумеется)», — говорит Маргери. Вдохновляясь осьминогом, группа из Гарвардского университета создала четвероногого робота, способного медленно передвигаться по земле и даже менять цвет (тоже медленно). Но он требует связи с внешними гидро- и воздушными насосами для управления движениями.

Для более полного моделирования осьминога группа Ласки использовала ульразвуковые методы, чтобы увидеть изнутри щупальца осьминога и все их мышцы в работе. Этот подход позволил прояснить «секрет движений щупалец осьминога», соглашается Маттео Чанкетти, еще один специалист по биороботам из лаборатории Ласки. В отсутствие скелета гибкость и структуру конечностям осьминога придают три группы мышц, позволяющие изменять направление, длину и даже жесткость. Для моделирования мышц исследователи используют тросы и пружины из сплавов с памятью формы, которые изгибаются при нагреве электрическим током, а затем возвращаются к прежней форме.

Но если мышцы живого осьминога могут сильно растягиваться, то центральный нервный тяж щупальца — нет. Поэтому пучки нервных волокон имеют зигзагообразную форму, и при растяжении щупальца просто распрямляются. Используя этот же принцип, группа Маргери располагает проволоки системы управления по оси щупальца и придает им волнообразную форму.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

  • Мозг и мускулатура осьминога впечатляют. Это самое разумное беспозвоночное на планете, а также мастер камуфляжа и гибкости. Он способен втискивать свое мягкое, но мускулистое тело в тесные пространства и быстро изменять цвет и текстуру кожи, чтобы прятаться от хищников.
  • В последние годы инженеры пытаются смоделировать многие способности осьминогов, создав мягкотелого робота, способного решать технические задачи, непосильные для существующих наземных автоматизированных механизмов.
  • Исследователи уже создали четвероногого «октобота», способного ползать, а также устрашающе реалистичные щупальца, обвивающиеся вокруг всего, к чему прикоснутся. Эти роботы также помогут ученым лучше понять, как ведут себя живые осьминоги в их естественной среде обитания.

Чанкетти показал мне один из прототипов с силиконовой кожей призрачно-серого оттенка. Потягивая некоторые из проволок, он заставлял щупальце сворачиваться в спираль. Я протянул вперед палец, и конечность с удивительной легкостью обвилась вокруг него. Благодаря своим пропорциям и внутренней «мускулатуре» она естественным образом обвивается вокруг всего, чего коснется. «Щупальце автоматически приспосабливается к любой форме», — сказал Чанкетти. «Потрясающе!» — подумала я с дрожью.

Исследователи оснащают щупальце робота датчиками, обеспечивающими тактильное восприятие, и надеются снабдить его неким подобием присосок. Но они, возможно, будут не вполне идентичны присоскам живого осьминога, которые не только сильны, но и универсальны: они могут вращаться, изгибаться и даже воспринимать вкус окружающей среды. Другие группы, включая лабораторию Фрэнка Грассо (Frank Grasso) из Бруклинского колледжа, разрабатывают более утонченные присоски. А Научно-исследовательская лаборатория армии США в сотрудничестве с другими учеными уже изготавливает методом трехмерной печати сверхсильные присоски с индивидуальной активацией.

Специалисты, занимающиеся роботами-осьминогами, тщательно выбирают материалы, чтобы их создания могли подолгу работать под водой, не подвергаясь коррозии. Силикон, который применяет группа OCTOPUS Integrating Project имеет почти ту же плотность, что и вода, и поэтому обладает плавучестью, как живой осьминог.

Поскольку практическое применение подводных роботов, сколь бы впечатляющими они ни были, возможно только в том случае, если они будут способны передвигаться под водой, некоторые работники изучают различные способы их перемещения. Марчелло Калисти (Marcello Calisti) занимается проблемой хождения. Большинство осьминогов ходят на задних щупальцах, используя передние для получения информации об окружающей среде. Но для искусственных осьминогов ученые могут выбрать другие способы передвижения, например с использованием передних конечностей, снабженных присосками, с помощью которых робот сможет подтягиваться. Такой подход позволит ученым проводить запланированные исследования и задавать направленное перемещение.

Рабочее место Калисти находится рядом с наполовину наполненным водой надувным детским бассейном, который использовался для изучения движения под водой и других целей. Калисти продемонстрировал мне свой прототип с двигателями из жестких материалов и зафиксированными тросиками, имевший всего шесть щупалец и выглядевший довольно примитивно. Но когда инженер показал видео, где этот робот полз подобно пауку, впечатление было немного жутким. «Он и впрямь страшноват», — признал Калисти. К тому времени ученые уже могли программировать этого робота извне, а затем запускать в бассейн и наблюдать, как он отыскивает и достает те или иные предметы. Однако в дальнейшем планируется поместить командный пункт внутрь робота (а также оснастить его всеми восемью щупальца-ми. а тело сделать полностью мягким).

Разумеется, ползание— не единственный способ передвижения осьминогов. В реальном мире, когда осьминогу нужно быстро скрыться, он использует реактивный способ передвижения. Воспроизвести реактивный двигатель осьминога в силиконе пытается в другом конце лаборатории Франческо Джорджо Серки (Francesco Giorgio Serchi). Водяная струя, служащая осьминогу двигателем, создает кольцевой вихрь. Моллюск формирует струю с помощью мышц своей мантии, сначала засасывая воду, а затем выталкивая ее через свою воронку.

Ученые только сейчас начали понимать гидродинамику кольцевого вихря, который используют также каракатицы и некоторые другие морские животные. Цель состоит в том, чтобы воспроизвести это искусство биофизики и со временем использовать его для приведения в движение небольших подводных лодок или «беспилотных» судов, говорит Серки. Он указывает, что адаптация данного водного способа передвижения будет большим шагом вперед. Сегодня «все способы создания тяги в воде непрерывны», говорит он. Винты и даже водяные струи создают постоянную тягу. В отличие от этого, тяга «по-осьминожьи» станет «первым примером использования прерывистой струи». И дело не только в новизне. «Это интересно потому, что оказалось очень эффективным», — указывает Серки. Воспроизведение кольцевого вихря может обеспечить подводным судам исключительно эффективное ускорение.

Но нельзя просто прикрепить кроботу большую резиновую грушу, заполнить ее водой и сжать. Система осьминога сложнее и настроена тоньше. «Несомненно, труднее всего воспроизвести эту способность осьминога— сначала чуть уменьшить ширину мантии, а затем существенно изменить ее внутренний объем, чтобы вытеснить воду, — говорит Серки. — Это непростая задача».

Однако осьминог делает это легко. Поэтому Серки решил не изобретать колесо. Он просто сделал слепок мантии осьминога и воспроизвел ее в силиконе. Исследователь показал мне подробную модель. В ней были даже полости, в которых размещаются органы и в которые теперь Серки намерен поместить электронные компоненты. «Это весьма приближенно», — признает он. Но полученные результаты должны помочь биологам понять, как плавают удивительные головоногие.

Следующим шагом для создателей робота должно стать оснащение этого творения гибким интеллектом. Кроме технических сложностей участников проекта OCTOPUS Integrating Project беспокоят биологические проблемы. «Как может животное с таким маленьким мозгом управлять столь большим количеством механических
степеней свободы и воспринимать такой огромный поток сенсорной информации?» Сведений о том, как животные делают это, пока нет, но инженеров это не останавливает. Ласки использует словосочетание «воплощенная разумность». Имеется в виду, что каждая часть тела— и осьминога и робота — хотя бы отчасти сама управляет собой.

Чтобы все эти щупальца работали так изящно, «необходим огромный объем воплощенной разумности. — говорит Ласки. — Каждое щупальце содержит множество нейронов и управляет немалой долей своих движений, но у нейробиологии нет реальной модели того, как это работает».

Объяснить способности осьминога не может не только нейробиология, но и традиционная робототехника. Управление роботами всегда основывалось на использовании жестких конечных движений. Но что делать, если имеется почти неограниченный диапазон множества частей тела? Именно с этой проблемой столкнулись биологи, взявшись за изучение осьминогов.

В поисках решения Ласки и ее коллеги обратились к общему эволюционному ответу: обучению. Мы, как и многие другие животные, включая головоногих, с раннего детства учимся управлять своими конечностями. Так должны будет обучаться заправлять своими щупальцами и мягкотелые роботы. Этот подход привлекателен отчасти и тем, что не требует обстоятельного моделирования. За некоторое время робот-осьминог может научиться использовать некое отдельное движение в разных целях, а для решения более сложных задач комбинировать различные движения. Так, встретив препятствие, например камень на морском дне, он может испробовать ряд известных ему различных команд и их комбинаций. Найдя движение или комбинацию движений, которые позволят ему перебраться через камень, он запомнит их, чтобы использовать при встречах с подобными препятствиями впоследствии, т.е. чему-то научится, как научаемся мы, и со временем станет более «разумным».

Чтобы создать умного робота, группе нужно прежде всего разработать системы обратной связи для тела, в частности — добавить в щупальца больше датчиков, чтобы определять степень их удлинения или укорочения. Возможно, исследователям удастся использовать в качестве датчиков сами пружины из сплава с памятью формы. «У нас будет как тактильные датчики, так и некий род датчиков положения». — говорит Ласки.

В своей работе по созданию робота по образу и подобию живого осьминога ученым предстоит пройти еще долгий пугь. В предстоящие годы и их успехи, и их незадачи будут приносить новые знания о биологии одного из самых ловких морских созданий, а также помогать робототехнике преодолевать ограничения жестких структур, чтобы освоить более разумные и гораздо более гибкие формы.