Реконфигурируемый робот шаг к чему-то, что может стать почти чем угодно.
Устройство выглядит не так: сборка металлических колец и полосок, выполненных в виде гусеницы, напоминающих то, что вы можете найти в ящике домашней мастерской. Но технология, стоящая за ней, и дальние возможности, которые она представляет, весьма примечательны.
Маленькое устройство называется milli-motein – название, объединяющее его миллиметровые компоненты и моторизованный дизайн, вдохновленный белками, которые, естественно, складываются в невероятно сложные формы. Этот крохотный робот может быть предвестником будущих устройств, которые могли бы сложить себя практически в любую форму.
Устройство было задумано Нилом Гершенфельдом (Neil Gershenfeld), руководителем Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (MIT), приглашенным ученым Ара Кнайаном и докторантом Кеннетом Чунгом, и описано в документе, представленном недавно на конференции Intelligent Robots and Systems 2012. Его ключевая особенность, Гершенфельд говорит: «Это эффективно одномерный робот, который может быть выполнен в непрерывной полосе без условно движущихся частей, а затем сложен в произвольные формы».
Чтобы построить самый маленький в мире цепной робот, команде пришлось изобретать совершенно новый тип двигателя: не только маленький и сильный, но и способный удерживать свое положение даже при выключенном питании. Исследователи удовлетворили эти потребности новой системой, называемой электроперманентным двигателем.
Мотор похож в принципе на гигантские электромагниты, используемые в свалках для подъема автомобилей, в которых мощный постоянный магнит (тот, который, как обычный магнит стержня, не нуждается в мощности) соединен с более слабым магнитом (тот, направление магнитного поля которого может переворачиваться электрическим током в катушке). Два магнита спроектированы таким образом, что их поля добавляются или отменяются, в зависимости от того, как переключается полевое поле. Таким образом, сила мощного магнита может быть выключена по своему усмотрению – например, чтобы выпустить подвесной автомобиль – без необходимости использовать огромный электромагнит все время.
В этой новой миниатюрной версии ряд постоянных магнитов, соединенных с электромагнитами, расположен по кругу; они управляют стальным кольцом, которое расположено вокруг них. Ключевая инновация, объясняет Княйан, заключается в том, что «они не принимают власть ни в состоянии, ни в выключенном состоянии, а используют только власть в изменяющемся состоянии», используя минимальную энергию в целом.
Концепция milli-motein следует на бумаге, опубликованной в прошлом году, в которой была рассмотрена теоретическая возможность сборки любой желаемой трехмерной формы, просто складывая длинную цепочку идентичных субъединиц. Эта статья, в соавторстве с профессором Массачусетского технологического института профессором Массачусетского технологического института Эриком Демейном Эриком Демейном, выпускником Саулом Гриффитом, а также бывшим ученым-исследователем лаборатории компьютерных наук и исследований искусственного интеллекта Джонатаном Бакрахом, математически доказала, что можно воспроизвести любую трехмерную форму, длинная строка – и что можно выяснить, как свернуть такую строку, и точные шаги, необходимые для успешного достижения желаемой конечной точки.
«Мы показали, что вы можете сделать такую универсальную систему очень простой», – говорит Чунг. Хотя он и его коллеги еще не доказали способ всегда находить оптимальный путь к данной сложной форме, они нашли несколько полезных стратегий для достижения практических складчатых последовательностей.
Демейн указывает, что сгибание фигуры не обязательно должно быть последовательным, перемещаясь по цепочке за одно соединение за раз. «В идеале вы хотели бы сделать все сразу», – говорит он, при этом каждый из суставов складывается в желаемую конфигурацию одновременно, чтобы распределить нагрузки.
Другие исследователи, в том числе некоторые из Массачусетского технологического института, исследовали идею создания реконфигурируемых роботов из партии отдельных частей, которые могли бы собираться в разные конфигурации – подход, иногда называемый «программируемыми гальками». Но команда Гершенфельда обнаружила, что последовательность субъединиц способна сворачивание себя в любую форму может быть проще с точки зрения контроля, питания и связи, чем использование отдельных частей, которые должны находить друг друга и собираться в правильном порядке. «Вы можете просто передавать сигналы по цепочке», – говорит Княйан.
По словам Гершенфельда, это общий подход, который «превращает данные в вещи». В статье в текущем выпуске журнала Foreign Affairs он описывает технологическую дорожную карту для достижения этой цели и ее политические последствия. Он и его коллеги создали глобальную сеть из более чем 100 «фабричных лабораторий», которые обеспечивают доступ сообщества к инструментам автоматизации, управляемым компьютером. Сегодня информация о дизайне содержится во внешнем компьютере, а не в материалах, которые производятся, но цель исследования – оцифровать сами материалы, чтобы они могли в конечном итоге изменить свою форму, как это делает миллимитин.
Ход Липсон, адъюнкт-профессор механической и аэрокосмической техники, вычислительной техники и информатики Университета Корнелла, говорит: «Этот результат приближает нас к идее программируемого вопроса – где компьютерные программы и материалы сливаются, чтобы сформировать новый вид материи, форма которого и функция может быть запрограммирована – в отличие от биологии. Многие люди сегодня волнуются, чтобы узнать о трехмерной печати и ее способности изготовлять любую форму; Группа Гершенфельда уже думает о следующем эпизоде, где мы не просто контролируем форму объектов, но и их поведение ».
Milli-motein является частью семейства таких устройств, которые исследуются в шкале размеров, начиная от белковых «наноассемблеров» и заканчивая версией, где цепочка имеет такое же большое значение, как и лицо, говорит Гершенфельд. В конечном счете, реконфигурируемый робот должен быть «маленьким, дешевым, долговечным и сильным», – говорит Княйан, добавив, что прямо сейчас «невозможно получить все из них». Тем не менее он указывает: «Биология – это доказательство существования этого возможно.”
Работа исследователей MIT может привести к созданию роботизированных систем, которые можно динамически переконфигурировать, чтобы выполнять много разных заданий, а не повторять фиксированную функцию, и их можно производить гораздо дешевле, чем обычная робототехника.
Развитие милли-мотинина было поддержано проектами Агентства США по перспективным проектам в области перспективных исследований и маневрирования и программируемой материи.