ОБЗОР
Как все начиналось
...Нападающий прорывается по правому флангу, мастерски обводит двух защитников и отправляет мяч мимо зазевавшегося вратаря в девятку. Гол! На поле кипят нешуточные страсти... однако все действо разворачивается на обычном письменном столе, а в качестве футболистов выступают крохотные аппараты размером с монетку. При этом они отличаются заметным интеллектом, обладают зрением и способны общаться друг с другом, согласовывая действия в атаке и обороне. А стоимость подобной футбольной команды из трех игроков, футбольного поля, мяча и ПО-"тренера" в исходных текстах укладывается в одну тысячу долларов.
За счет чего стали возможны сегодня подобные технологичные развлечения? Во многом благодаря развитию молодого направления микророботов (или микроботов). А их появление в свою очередь неразрывно связано с двумя инженерными тенденциями: 1) возникновением недорогих и производительных микроконтроллеров (понятие "микробот" раскрывается как "мобильный робот на базе микроконтроллера"; en.wikipedia.org/wiki/Microbot); 2) выпуском массовых микроэлектромеханических (MEMS) элементов.
Микроконтроллеры ("компьютеры-в-чипе"), объединяющие в едином модуле все элементы "большого" компьютера (процессор, память, службу взаимодействия с периферийными устройствами и т. д.), появились на рынке по доступным ценам в начале 90-х годов прошлого века. И практически сразу, в 1992-м, был создан, пожалуй, первый широко известный двухколесный микробот Monsieur массой 1,5 г, занесенный в книгу рекордов Гиннесса. Он умещался в 1 куб. см, был спроектирован инженерами Seiko Epson, развивал скорость 1,13 см/с и даже умел танцевать. А через десять лет его улучшенные варианты Monsieur II-P, общаясь через Bluetooth-интерфейс, научились исполнять балетные танцы целой группой.
Тогда же, в середине 90-х, получила массовое распространение технология микроэлектромеханики (см., например, PC Week/RE, N 5/2005, с. 30 - "Коротко о MEMS", Андрей Борзенко), которая берет начало в 40-х годах, когда с помощью анизотропного травления кремния удалось разместить непосредственно на кристалле вычислителя различные механические микродетали, функционирующие под управлением электроники. Первые миниатюрные цифровые измерительные датчики были созданы в 70-х в кливлендском университете Case Western Reserve (США), а сам термин MEMS появился в 1987 г. в ходе научных конференций по микродинамике, проходивших в американском городе Солт-Лейк-Сити. В Европе, кстати, вместо микроэлектромеханики используют термин "микросистемы", а в Японии - "микромашины".
Система считается относящейся к классу MEMS, если она:
- отличается малыми размерами;
- выполняет пространственные действия с высокой точностью;
- управляется электроникой;
- характеризуется гибкой архитектурой;
- надежна и подходит для массового производства;
- имеет низкую стоимость.
Интерес к потенциалу микроконтроллеров и MEMS-систем со стороны разработчиков роботов проявился сразу, и в научных кругах быстро стали зарождаться новые направления исследований. Сандийская лаборатория (г. Сандия) министерства энергетики США в 90-х годах одной из первых запустила программу "Маленькие умные машины". Ее участники сосредоточились на задачах быстрого проектирования и производства мини- и микромашин, ориентированных на нужды служб спасения и военных. Среди их наработок - серия гусеничных роботов RATLER (от 15 см до метра в длину), предназначенных для длительных автономных путешествий в сложных условиях (в частности, на Луне), и маленькие аппараты MARV (четыре или шесть колес в зависимости от модели), способные двигаться в направлении источника радиосигнала. Они полностью собраны из коммерчески распространяемых деталей; оригинальны только миниатюрные радиодатчики. MARV умещается в кубическом дюйме, управляется двумя электромоторчиками, оборудован видеокамерой, а все управление сосредоточено в бортовом модуле с ПЗУ 8 Кб. При столь малых размерах аппарат хорошо собирает информацию и может быть дополнительно оборудован датчиками различных типов - например, в ходе экспериментов он помогал пожарным выявлять места возгорания. Существует и гусеничный вариант MARV, за минуту преодолевающий 50 см.
Работы по данному проекту в лаборатории продолжаются, в последние годы особое внимание уделяется вопросам автоматической сборки деталей размером в десятки и сотни микрон, а также эволюционным алгоритмам управления большим количеством (сотнями миллионов) роботов-малышей, что свидетельствует о растущем интересе к нанотехнологиям. В лаборатории также создано ПО, предоставляющее разработчику удобный интерфейс управления большим количеством (сотнями тысяч) аппаратов.
Области применения
Заметный спрос на мини- и микророботы сосредоточен в следующих областях.
- Медицина. Миниатюрные аппараты уже сегодня способны передвигаться по сосудам человеческого тела, добираться до пораженных органов, выяснять их состояние и при необходимости доставлять к больному участку лекарства. В дальнейшем такие устройства научатся выполнять хирургические операции без внешнего вскрытия организма, а по мере уменьшения размеров нанороботы смогут обеспечить бесперебойную работу всех живых клеток, автоматически заменяя устаревший материал. Нуждаются в автоматизации и различные диагностические процедуры нового поколения, а также микрохирургия.
С особым интересом ожидают нанороботов нейрофизиологи. Будучи загружены в мозг, молекулярные автоматы смогут следить за функционированием каждого нейрона, проанализируют все их возможные состояния и связи друг с другом и построят точную цифровую матрицу мозга, которую затем можно будет "выполнять" на компьютере. Кроме того, нанороботы научатся не только снимать показания нейронов, но и изменять их состояние, что позволит "загружать" в мозг матрицу мышления, скопированную с другого человека.
Millibot
- Диагностика технологического оборудования. Большинство современных промышленных предприятий отличается разветвленной кабельной и трубопроводной инфраструктурой. Однако ее обслуживание обычно сильно затруднено из-за большого количества, запутанности и малых размеров труб и кабельных оболочек, так что даже, казалось бы, незначительный засор может привести к многочасовой парализации всей деятельности. Поэтому современные роботы активно учатся передвигаться по изогнутым трубам, хотя при этом возникает множество инженерных проблем: для движения по широким каналам приходится применять одни технологии, а по узким - совсем другие, горизонтальная или вертикальная ориентация и степень изгиба труб также существенно затрудняет проектирование и т. д.
- Микромеханика. Упомянутые MEMS-технологии связаны с тенденцией промышленности к созданию все более и более миниатюрных управляющих элементов, которые сегодня, например, встраиваются во все мобильные телефоны, но автоматизация процесса их сборки немыслима без микроманипуляторов. Это направление постепенно сближается с наномеханикой, где в качестве элементов движущихся конструкций планируется активно задействовать молекулы.
Кроме того, самые разные формы интереса к микророботам проявляют энергетики, машино- и приборостроители, биотехнологи, связисты и экологи.
Проблемы отрасли
Классическая модель робота состоит из модулей сбора информации (набора датчиков, анализирующих свое и окружающее состояние), управления двигателем, устройства движения (колесного, гусеничного или шагающего) и принятия решений. Каждый из этих блоков, особенно если дело касается создания микроаппаратов, требует тесного взаимодействия специалистов из самых разных областей науки и техники, что во всем мире традиционно считается трудной организационной задачей. Ведь для этого в едином конструктивном решении надо объединить как электронные, так и крохотные механические элементы, двигатель, источник питания, а также средства связи, сбора информации и т. д.
Как правило, современные микроконтроллеры пока не отличаются выдающимися характеристиками, и в микророботах задействуются 8- или 16-разрядные платы с ОЗУ 8-64 Кб и быстродействием в несколько миллионов операций в секунду. Поэтому подготовка для них сложных микропрограмм, реализующих алгоритмы искусственного интеллекта и иерархическое (а подчас и распределенное) управление множеством периферийных элементов в реальном времени, а также необходимость отладки в практических проектах остается весьма нелегким делом.
Существенно отличаются от характеристик крупных автоматов и кинематические свойства "малышей". Если при проектировании больших устройств приходится учитывать влияние гравитации, то для микроаппаратов она почти не играет роли. В то же время растет влияние сил трения, начинает проявляться сложно предсказуемый эффект "прилипания-скольжения" (сила трения постоянно колеблется), развиваются стохастические процессы внутри самого робота (при работе аппарат выделяет тепло и "перегревается", а так как при снижении размеров деталей возникает броуновское движение, то в результате микроробот просто разваливается). Заметно увеличивается и воздействие сил поверхностного натяжения, для крупных устройств неактуальное.
Кроме того, чем меньше размеры робота, тем большую роль в организации его движения начинает играть инертность окружающей среды. Например, оказывается, что ее влияние позволяет создавать плавающие "нити" миллиметровой толщины длиной не более 2-3 см, которые за счет волнообразных движений способны перемещаться в жидкости или газе со скоростью несколько миллиметров в секунду.
Прикладные проекты
В рамках микромашинного проекта компаний Mitsubishi Electric, Sumitomo Electric Industries и исследовательского института фирмы Matsushita с бюджетом 206 млн. долл. разработан аппарат сантиметровой длины и массой в несколько граммов: передвигаясь по трубопроводной инфраструктуре электростанций, он при необходимости может выполнять в них восстановительные мероприятия.
Составленный из сегментов робот Moccasin II с пневматическим двигателем был создан учеными университета Южной Каролины. Он умеет двигаться по трубам диаметром в несколько десятков сантиметров, разворачиваться в них под прямым углом и подниматься вверх. Оборудован Moccasin II видеокамерой, источником света и датчиком вибраций.
MARV
"Малыши" длиной в пару сантиметров, спроектированные Институтом проблем механики РАН, обучены перемещению по трубам диаметром 0,5 см. Они могут применяться в медицине, позволяя выполнять прямую диагностику внутренних органов человека, и даже доставлять лекарства непосредственно к больному месту. Однако для промышленного выпуска таких аппаратов требуется финансирование.
Схожее устройство Китайской академии наук обучилось перемещаться в сосудах трехмиллиметрового диаметра, и ученые утверждают, что это далеко не предел.
В Институте океанологии РАН разработан робот ГНОМ длиной несколько десятков сантиметров и массой 2 кг. Он перемещается в воде со скоростью 1,5 м/с и способен погружаться на глубину до 150 м. На борту ГНОМа установлены цветная видеокамера, прожекторы и различные датчики, а данные на землю передаются по кабелю.
Научные исследования
В шведском университете города Линкапинг созданы крохотные полимерные роботы размером в десятитысячные доли метра, научившиеся действовать в организме человека, захватывая отдельные клетки и бактерии.
В калифорнийском университете Лос-Анджелеса разработан аппарат тоньше человеческого волоса, в котором в качестве "двигателя" установлен микромускул крысы. Его можно применять в самых разных областях - от помощи парализованным людям в самостоятельном дыхании до заделки обшивки космических станций, поврежденной микрометеоритами. Передвигается устройство со скоростью 40 мкм/c.
Экспериментаторы из Бельгии, Франции и Швейцарии создали робот InsBot, представляющий собой электронную плату сантиметровой длины на механических ножках. Она была предварительно обработана составом, имитирующим запах насекомых, после чего запущена в гнездо тараканов, где изучала особенности их жизни "изнутри".
Робот, напоминающий жука, был спроектирован и в лаборатории Ок-Риджа (США). Он движется со скоростью полметра в минуту, оснащен набором датчиков и умеет, например, пролезать в запертые помещения под дверью.
Непростой задачей по праву считается организация группового поведения мини-роботов с ограниченными вычислительными ресурсами. Специалисты военного научного агентства США DARPA совместно с учеными университета Карнеги - Меллона в рамках проекта Millibot отрабатывают способы управления "малышами", каждый из которых умещается в десятках кубических сантиметров и при этом оборудован видеокамерой и датчиками движения. Изучают военные и всевозможные адаптивные подходы к организации движения: конечности-манипуляторы перенастраиваемых аппаратов снабжаются легко заменяемыми элементами, одни из которых (колесики или гусеницы) позволяют ездить по горизонтальной поверхности, другие (присоски) дают возможность лазать по стене и т. д.
Совместным взаимодействием десятков мобильных роботов, любой из которых уместится в кубическом сантиметре, занимается проект MiCRoN Европейской сети передовых исследований IST. "Малыши" умеют позиционироваться с точностью до 1 мкм и развивают скорость в несколько миллиметров в секунду. При этом каждый из них оснащен высококачественной CMOS-видеокамерой, устройством беспроводной связи и даже обладает навыками распознавания окружающего. В качестве источника энергии предполагается задействовать внешний сигнал. Роботы должны будут заниматься пространственной сборкой микромеханических элементов и высокоточной обработкой живых клеток под дистанционным управлением с центральной системы.
Специалисты Таганрогского государственного радиотехнического института разработали оригинальные алгоритмы управления большими коллективами роботов. С одной стороны, они оказались весьма простыми и несложными в компьютерной реализации, а с другой - проявили высокую эффективность в ходе моделирования. Когда перед группой роботов ставится определенная цель (например, догнать заданный объект), каждый из них самостоятельно определяет, сколько устройств уже отправилось на ее достижение, - если таковых много, то он остается в ожидании новых приказов, а если еще мало (так бывает, когда цель задания расположена поблизости), начинает активно действовать.
Оригинальный шагающий робот NanoWalker создан в Массачусетском технологическом институте. Он представляет собой пьезокерамическую MEMS-треногу, которая передвигается с небольшой, на первый взгляд, скоростью 20 см/с, однако уникален сам принцип его передвижения. В секунду NanoWalker, способный нести 240 г полезной нагрузки, совершает 4 тыс. микропрыжков по 50 мкм каждый. Бортовой вычислитель работает со скоростью 48 млн. операций в секунду, обмениваясь с внешней управляющей системой по беспроводному каналу 4 Мбит/с и обеспечивая микросокращение ног под воздействием электричества - порядка 200 тыс. действий в секунду на атомарном уровне. NanoWalker умеет не только прыгать-бегать (то есть все три ноги отрывать от поверхности), но и ходить. При ходьбе он за один шаг преодолевает 5 мкм.
Задача робота - выполнять позиционирование различных устройств с точностью до отдельных молекул или даже атомов. Он упростит выполнение тонких операций на клетках и задачи трехмерной микросборки, повысит эффективность электронных микроскопов и т. д. В будущем NanoWalker научится делать шаги длиной в доли нанометра. Теоретически, утверждают создатели, робот способен выполнять до 18 тыс. шагов в секунду. Правда, пока в зависимости от материала, из которого сделаны его ноги и по которому ему придется идти, а также от общей массы устройства каждый раз приходится существенно переделывать алгоритмы управления.
Сделай сам
Многие из этих работ пока еще не вышли за стены научных лабораторий. Вместе с тем, как уже говорилось в этой и других статьях нашего еженедельника, сегодня развитые средства создания робототехнических систем доступны на рынке по вполне умеренным ценам. Что касается микроботов, то любой желающий может попробовать свои силы как в создании отдельных устройств, так и в автоматизации коллективного управления с помощью, например, линейки продуктов сеульской фирмы Microrobot (www.microrobotna.com), которая действует в этой нише с 1995 г. и сегодня предлагает множество решений для детей, взрослых любителей, инженеров и программистов.
Ее колесные устройства длиной около 10-20 см умеют путешествовать по нарисованным линиям, объезжать препятствия, искать обратный или потерянный путь и находить выход из лабиринтов. Шагающие мини-роботы обследуют окружающее пространство с помощью механических усиков и движутся к цели в обход помех. Имеются в продаже шагающий робот-сова с подвижными крыльями, робот-червяк, многофункциональная микромышь, на которой удобно отрабатывать алгоритмы поиска, упомянутые в начале статьи роботы-футболисты, всевозможное вспомогательное и периферийное микрооборудование и т. п. Средства разработки входят практически во все комплекты, а бортовое ПО этих роботов доступно для изучения и модификации в исходных текстах.
