Наука и Техника

Наука И Техника
14 июня 2016

Когда мы сядем за штурвалы гигантских роботов?

Когда-нибудь представляли, как залезаете в гигантский роботизированный костюм и ведете бой, ну или поднимаете тяжелые объекты, переворачиваете машины? Фильмы показывают, что это доступное удовольствие. На деле же создать такое устройство из чертежа может быть огромной проблемой.

За многие десятилетия мы привыкли считать, что поле боя будущего будет выглядеть именно так: гигантские роботы, в которых сидят (а лучше не сидят) люди. Эти титанические чудовища — больше известные как мехи — стали своего рода синопсисом для войн будущего. Пилотируемые роботы впервые появились в японском аниме, но очень скоро мигрировали и в западный мир через всякие сериалы. Голливудские фильмы вроде «Чужих», «Аватара» и «Тихоокеанского рубежа» прекрасно показали, как это должно выглядеть.

Фильмы фильмами, а насколько реальны такие проекты в действительности? Когда мы уже увидим людей, пилотирующих гигантских роботов?

Джордан Вайсман из Harebrained Schemes делал игры на тему мехов BattleTech в 1980-х годах. Задумывая своих боевых мехов, он выбрал относительно приземленный подход, если сравнивать с предыдущими примерами. Джордан представлял мехов, построенных из стальной рамы, окруженной электрически заряженными искусственными мускулами, которые двигают суставы, с гироскопным стабилизатором и бортовой электростанцией.

Основная идея Джордана вполне понятна. Искусственная мускулатура была в некоторой степени как электроактивные полимеры. «Электрические пучки, которые расширяются или сжимаются при пропускании электричества, были мышцами наших мехов, — говорит Вайсман. — Прошло 30 лет, и этот же материал в настоящее время используется в разработке протезов».

Одна из причин, по которым форма человека привлекает конструкторов, это ее особенный эргономический дизайн. «Анатомия человека невероятно эффективна для шагания по камням и дорогам», объясняет Роб Букингем, директор Race в Научном центре Калэма. «Просто взгляните на солдата, который может переносить вес, в несколько раз превышающий его собственный, через любую местность». Впрочем, передвижение на двух ногах требует особой ловкости, а удерживать равновесие может быть очень трудно.

Кроме того, как управлять трехметровым гигантом? Профессор Сету Виджаякумар из Эдинбургского центра робототехники предлагает использовать комбинацию телеопераций и автоматической системы, реагирующей на намерения пилота. «Намерения высшего уровня будут поступать от оператора, но очень много контроля на низком уровне будет встроено в платформу, вроде поддержания равновесия при ходьбе», говорит Сету.

На самом деле, сделать двуногого меха, которым управляет человек, будет проще, чем автономного. «Это вполне выполнимый тип технологии. Более вероятный, чем автономная система, поскольку полностью автономная система имеет массу проблем с точки зрения сенсорного и контекстуального принятия решений».

Тем не менее любой тип системы телеуправления потребует коммуникационную платформу, которая будет устойчива для взломов и сбоев и сможет обрабатывать 500 000 операций в секунду.

Есть также вопрос, на какой энергии будет работать мех. Вайсман думал, что мехи BattleTech будут работать на термоядерных реакторах, но учитывая то, что современные реакторы синтеза размером с целый заводик, это маловероятно. Мехи в «Тихоокеанском рубеже» использовали обычные реакторы ядерного деления, которые действительно обеспечивают высокую выходную мощность, но крайне небезопасны. «Технологии батарей и плотности энергии отстают от теоретически возможных, — говорит Сету. — Исследования ведутся, но они пока находятся в зачаточном состоянии с точки зрения того, что можно сделать».

Предоставление пилоту контекстной информации и осведомленности о ситуации — еще одна проблема. «Мы добились прогресса с контролем в реальном времени, например, равновесия, — говорит Сету. — Проблема в том, что мы знаем, как это сделать, но при работе с датчиками реального мира любое незначительное отклонение в датчиках вырубит систему».

Виброотклик — вроде того, что имеется у игровых джойстиков, — полезен для определения, прикасаетесь вы к чему-то или нет. Но предоставление пилоту дополнительных ощущений, которые будут добавлять контекста к тому, что испытывает робот, несет в себе риск перегрузки пилота излишней информацией.

Естественно, чем больше вы что-то строите, тем тяжелее оно становится. Давление, оказываемое на поверхность, это сила, деленная на площадь. Когда у вас двуногая система, вроде меха, большая часть массы сосредоточена в двух ногах. Это создает «эффект шпильки», когда весь вес сосредоточен в небольшой области. «Если взять женщину и сосредоточить весь ее весь в четверти дюйма в шпильке на туфле, она сможет пробить материал изрядной толщины», говорит Вайсман.

С подобной проблемой столкнулись немцы при разработке сверхтяжелого танка «Маус» во время Второй мировой войны. При весе в 188 тонн он хорошо прошел испытания на железобетоне, но при первом же полевом испытании увяз в земле.

Другой проблемой будет заставить меха ходить. Гироскопный стабилизатор уже позволяет машинами, вроде круизных судов, балансировать самостоятельно. Тем не менее акт ходьбы это весьма нестабильный процесс. Люди ходят, наступая вперед и перенося вес на ногу. И чем выше объект, тем труднее ему балансировать.

Kuratas разработки Suidobashi Heavy Industry и Mark-2 разработки MegaBots, оба заявлены как мехи. Хотя они оба имитируют человеческую форму, вместо двуногого движения роботы эти мехи полагаются на колесное передвижение. Одна из проблем в том, что имитация человеческой формы — которая имеет хорошо распределенную систему веса и энергии — сложная задача с точки зрения инженеров.

Моторы в каждом суставе могли бы решить проблему, но такое решение требует тяжелых моторов для поддержки и остального тела. Моторы сравнительно тяжелы, следовательно, значительный вес будет сосредоточен в суставах, и меху будет тяжелее поддерживать равновесие.

Продвигаются исследования в области пневматических мускулов, но таких понадобится по два на каждом суставе. «На основе пневматических мускулов можно создать что-то с пятью суставами, — говорит Сету. — Но когда вы пытаетесь собрать из них двуногую систему, все превращается в ад с точки зрения электроники, маршрутизации и проводки».

Мы уже начали производство мехов с прототипом экзоскелета Assist Suit AWN-03 от ActiveLink. Этот вспомогательный костюм разрабатывается в качестве решения проблемы нехватки рабочей силы, которая может проявиться в процессе старения населения. Вилочные погрузчики и подъемники не подходят для всех ситуаций. «Есть некоторые отдельные поля, которые нельзя механизировать, и промышленным рабочим по-прежнему придется носить тяжелые предметы сами по себе», говорит Хиромичи Фудзимото, президент ActiveLink.

Следующим этапом Assist Suit будет снижение веса и производственных затрат, а потом уже и разработка модели для более тяжелой работы. Новый Assist Suit сможет поднимать объекты, которые человек в противном случае не смог бы поднять самостоятельно.

Однажды у нас будут пилотируемые людьми экзоскелеты для перемещения грузов и, возможно, тяжелого строительства. Но гигантские мехи, перешагивающие здания, все же останутся материалом блокбастеров. «В фантастике это все выглядит красиво, но говоря о практическом военном транспорте, вряд ли вы захотите, чтобы он был высоким», говорит Вайсман.

«В некотором смысле все технологии уже есть, — говорит Сету. — Мы сделаем человекоподобных мехов, если найдем им применение. Только фантастов волнует, будет ли у них две руки и две ноги».

По материалам: hi-news.ru