Фантом соскальпелем: ученые работают над созданием электронной глины
- По окружности в шахматном порядке расположены электромагниты. Быть может, что в будущем, в то время, когда катомы примут субмиллиметровые размеры и сферическую форму, модули будут взаимодействовать не посредством электромагнитов, а благодаря силам электростатического притяжения/отталкивания
Ход модуля Дабы совершить простейшее передвижение, требуется сборка из четырёх катомов.
- Образуя треугольную конструкцию с «шарниром», «держатели» вызывают в соприкасающихся с ним сегментах силу притяжения и удерживают его от вращения около собственной оси. Четвертый катом, «движитель», совершает перемещение довольно статичного «шарнира» благодаря созданному электромагнитами крутящему моменту. В трёхмерной сборке количество модулей увеличится, но принцип перемещения останется прошлым.
Редкий технический проект со времён первых шагов космонавтики так подстегивал фантазию журналистов и футурологов. Немногие конструкторские идеи имели возможность бы вынудить нас так поверить в действительность техно-кошмара «Трансформеров» либо в материализацию призраков, сошедших прямо с экрана. Картины будущего рисуются одна одной заманчивей.
К занемогшему полярнику (буровику, астронавту, Индиане Джонсу-2050) приводят к врачу. Дело происходит, конечно, в том месте, куда простая карета скорой помощи будет ехать вечность, в случае если по большому счету доедет. А помощь нужна срочно. В распоряжении больного лишь компьютер, к которому подключено весьма необычное периферийное устройство, больше всего напоминающее корыто с песком. Широкий спутниковый канал связи соединяет зимовку, лагерь либо космическую станцию с кабинетом светила медицины.
Нет-нет, господин доктор наук из Нью-Йорка либо Токио вовсе не готов по первому кличу долга спешить в аэропорт либо на космодром. Да это и не требуется. Так как на данный момент случится мелкое чудо. Песок в корыте начинает нервничать, шевелиться, вздыматься грудами, кажущимися сначала бесформенными, и, наконец, преобразовывается в людскую фигуру.
Внешним видом «песочный человек» (как тут опять не отыскать в памяти про его комикс и Голливуд-сагу о Человеке-пауке) ничем не отличается от маститого врача, находящегося за тысячи и тысячи километров. Фигура совершенно верно повторяет все перемещения доктора, лицо один в один воспроизводит мимику, да и рукопожатие восставшего из пыли фантома точно передаёт упругость и мягкость людской ладони. Двойник врача, конечно же, не исчерпывается визуальным осмотром больного.
Перкуссия, пальпация, аускультация — руки фантома трудятся в унисон с манипуляциями столичного эскулапа. Увы, диагноз был важнее, чем ожидалось. Потребуется хирургическое вмешательство. И умелый врач готов резать больного дистанционно.
Очевидно, посредством двойника, появившегося из корыта. В случае если же выяснится, что не достаточно хирургических инструментов, то их нужно «будет материализовать» на месте — запас чудесного песка еще имеется
«По-вашему, это неинтересно?» — задал вопрос врач Мортимер Шерлока Холмса, окончив чтение легенды о проклятии рода Баскервилей. «Весьма интересно для любителей сказок», — ответил великий сыщик. Не правда ли, по окончании рассказа о фантомном враче эти слова так и крутятся на языке? Но в Университете Карнеги-Меллон (Питсбург, США) имеется люди, каковые не просто верят, что непременно такие сказки станут действительностью, но уже сейчас трудятся над разработками, благодаря которым суперматериал будущего в один раз войдёт в нашу жизнь.
Осязаемые эти
Уже шесть лет несколько визионеров-исследователей под управлением адъюнкт-доктора наук Университета Карнеги-Меллон Сета Голдстайна и директора исследовательской лаборатории компании Intel в Питсбурге Тодда Маури ведёт разработку одного из самых увлекательных направлений в области модульного роботостроения.
Стоя в одном последовательности с другими проектами создания модульных роботов, планы группы исследователей из Университета Карнеги-Меллон выделяются своим наиболее оригинальной идеологией и революционным подходом. Обращение тут идёт не просто о сборке специального робота из несложных типовых модулей, но о появлении неповторимого «интеллектуального» материала, талантливого воспроизводить осязаемые а также движущиеся трёхмерные образы фактически любых жёстких объектов.
Таковой материал открывает дорогу к новому типу электронной коммуникации, что разрешит подключать к восприятию передаваемых по цифровым сетям образов ещё одно чувство — осязание. Человек сможет взаимодействовать с этими образами как с предметами материального мира а также как с живыми существами.
Чудесный песок, о котором шла обращение в начале данной статьи, станет, по мысли разработчиков, не чем иным, как массой роботов-модулей субмиллиметровых размеров. Любой из этих модулей будет, но, пригоден к исполнению нескольких ответственных функций. Он станет в один момент движителем, приёмником-передатчиком цифровых данных, сенсором и проводником электропитания.
В совершенстве для максимально реалистических образов воспроизводимых объектов поверхность модуля покроют микроскопическими светодиодами, каковые выполнят роль светящихся пикселей, в собственной совокупности пригодных для получения цветовых текстур.
Наименование для материала, складывающегося из модульных роботов, и для всего проекта по-английски звучит как Сlaytronics, от британских слов clay (глина) и electronics (электроника). Самому модульному роботу авторы проекта дали имя catom (катом; от claytronics и atom).
Как же выглядит сегодняшний этап работы над проектом Claytronics? Кроме того сами отцы-основатели признают: до передачи на расстоянии движущихся трёхмерных образов ещё весьма и весьма на большом растоянии. До тех пор пока ведутся исследования базисной конструкции катомов, алгоритмов и способов их сотрудничества, для чего используются макромодели, трудящиеся в двухмерном поле координат.
Плоскостные (планарные) катомы — это цилиндрические устройства с диаметром сечения 45 мм, поставленные вертикально и передвигающиеся по ровной поверхности. Как видно, до песчинок до тех пор пока на большом растоянии, да и число катомов в сборках исчисляется единицами.
Наряду с этим один из главных терминов научных публикаций группы Сета Голдстайна — слово «масштабируемость» (scalability). Имеется в виду, что разрабатываемые сейчас конструкции катомов и технологии их сотрудничества в сборке разрешат в будущем легко и безболезненно поменять масштаб всей модульной совокупности при сохранении её работоспособности и управляемости. Катомы примут субмиллиметровые размеры, число модулей в сборке возрастёт до миллионов и тысяч, а сама совокупность будет спроецирована из плоскости в трёхмерное пространство.
Пузырящиеся роботы
Интерес к конструкции робота, что будет чуть различим невооружённым глазом, понятен, и однако Сет Голдстайн и его коллеги не устают повторять: «железо» — ещё не самое сложное. Куда более важный вызов — это программные методы как управления совокупностью в целом, так и сотрудничества между отдельными катомами.
Одна из наиболее значимых неприятностей модульного роботостроения по большому счету и проекта Claytronics в частности — управление громадным множеством модулей, любой из которых владеет низкой энергооснащённостью и низким вычислительным потенциалом. Классический способ создания методов перемещения для множества модулей предполагает описание пространства состояний всей совокупности, другими словами всей совокупности комбинаций, в которых смогут пребывать передвигающиеся модули.
Конечно, пространство состояний находится в линейной зависимости как от числа задействованных модулей, так и от количества степеней свободы отдельного мини-робота. В случае если речь заходит о тысячах, в противном случае и миллионах катомов, то разработка метода управления их перемещением, выстроенного по классической методике, вероятнее, заведёт в тупик. Действенным методом уменьшить пространство состояний может стать ограничение перемещения отдельных модулей, сведение их к собственного рода динамическим примитивам под управлением довольно несложного метода сотрудничества.
Как раз этим методом пошли участники проекта Claytronics, положив в базу построения форм принцип движущихся вакуумов, либо «дырок». Наглядную иллюстрацию этого принципа мы возьмём, замечая за кипящей вязкой массой — к примеру, расплавленным сыром. Пузырьки воздуха, поднимающиеся к поверхности, сначала образуют на ней выпуклости, а после этого, лопаясь, на какое-то время оставляют ямки, вогнутости.
Если бы на данный процесс возможно было влиять, в необходимый момент фиксируя работу пузырьков то на «выпуклой», то на «вогнутой» стадии, мы взяли бы инструмент придания данной поверхности нужной формы.
Роль «пузырьков» в массе катомов будет делать «дырка», которая в научных публикациях группы Сета Голдстайна определяется как «квант отрицательного количества». В двухмерной модели «дырка» является пустотой в форме шестигранника, занимающую количество одного центрального катома и шести окружающих его «соседей». По периметру пустоты выстраиваются 12 катомов, каковые обозначаются термином «пастухи» (shepherds).
Для передвижения «дырки» в массе катомов модулям-«пастухам» достаточно хранить в собственной памяти два параметра: наличие «дырки», которую они окружают, и одно из случайно назначенных направлений перемещения, неспециализированное число которых равняется шести — по количеству углов шестигранника. Перемещение начинается с того, что катомы «во главе» начинают смещаться к тыльной стороне «дырки».
После этого перестраиваются и другие модули «пастушьей» группы, и в итоге пустота смещается на один ход вперёд, частично обновив состав собственных «пастухов». Имеется два ответственных условия: во-первых, в ходе перемещения «дырка» не должна разрушать «пастушью» группу второй «дырки», и во-вторых, она не имеет возможности выполнять перемещения, каковые приведут к утрата части собственной «пастушьей» группы. Последнее произойдёт, в случае если «дырка» порвёт границу между массой катомов и окружающим пространством.
В случае если соблюсти оба эти условия нереально, выбирается второе направление перемещения.
В итоге получается что-то наподобие хаотичного перемещения молекул в совершенном газе. Перемещаясь по случайно выбранным направлениям, «дырки» сталкиваются между собой, отталкиваются от границы массы катомов, в которой они заключены, не разрушая эту границу.
Появляется законный вопрос: в случае если «дырки» движутся хаотично и не нарушают границы массы катомов, то как именно они придают сборке нужную форму? Дело в том, что всё обрисованное в прошлых двух абзацах верно только для «состояния равновесия». Вывести дырки из равновесия, предписав им другой modus operandi, может попадание в особенную территорию преобразования.
Всё поле координат, в котором действуют катомы, разделено на равновеликие треугольные территории, названные «три-области» (tri-regions), — их координаты сообщаются каждому из трудящихся модулей. На то же поле координат нанесена геометрическая форма объекта, что в итоге должен быть воспроизведён посредством модулей. «Три-области», через каковые проходит контур будущего объекта, становятся активными. Попадая в них, катомы начинают вести себя в соответствии с двумя типами заданий — «рост» либо «стирание», что соответствует созданию выпуклостей либо вогнутостей.
В «три-области», запрограммированной на рост, катомы наращивают выпуклость над существующим краем массы, формируя новую «дырку». Наоборот, в «три-области», запрограммированной на «стирание», попавшая в том направлении «дырка» подходит к краю массы и размыкается, оставляя вогнутость. Неспешно выпуклости и вогнутости изменяют границу массы, совмещая её с заданным контуром.
Таковой тип управления модульными совокупностями взял наименование «стохастической реконфигурации». В отличие от совокупностей «детерминистской реконфигурации», в которых положение каждого модуля в любую секунду времени совершенно верно задано, тут перемещения мини-роботов оцениваются и управляются статистически, а положение конкретного модуля не имеет значения.
Как раз стохастический способ признан сейчас наиболее перспективным для модульных совокупностей с громадным числом элементов субмиллиметрового размера. Фигурально выражаясь, обучиться трудиться с пузырьками кипящего сыра намного легче, чем с отдельными составляющими массу молекулами.
Отсечь все лишнее и к новым горизонтам
Появление полноценной «электронной глины» — другими словами массы катомов, которая по команде компьютера будет вырабатывать движущиеся трёхмерные образы, окрашенные в естественные цвета а также передающие особенности поверхностей оригинала, — отцы-основатели проекта Claytronics прогнозируют на неизвестное будущее. Более совершенно верно, не смотря на то, что и с известными оговорками, определяется время, в то время, когда мы сможем разглядеть трёхмерные сборки из солидного числа субмиллиметровых модулей.
Это должно произойти через 5−10 лет. Пока же исследователи трудятся с макромоделями, и с программой-симулятором, благодаря которой отрабатываются методы сотрудничества катомов. В течение ближайших двух лет планируется переход от двухмерных катомов к трёхмерным: пара модулей, исходно расположенных на плоскости, смогут самостоятельно собраться в пространственную форму — к примеру, в пирамидку.
Значит ли это, что до появления полнофункционального катома от работы группы Сета Голдстайна не нужно ждать практических результатов? Одно из устройств, которое может показаться «на половине пути», разработчики назвали «3D-факсом». В нём катомы будут мочь очень многое, не считая одного — им не потребуется передвигаться относительно друг друга. Неспециализированный принцип работы этого устройства таков.
Предмет, трёхмерную жёсткую копию которого необходимо передать на расстоянии, поместят в ёмкость, где она будет всецело засыпана катомами. Облегая поверхность предмета, модули выяснят собственный расположение относительно друг друга и, так, сосканируют параметры поверхности объекта, а после этого передадут их компьютеру. На принимающей стороне второй компьютер скажет полученные координаты подключённой к нему ёмкости с электронными песчинками.
В заданного контура катомы прилипнут друг к другу под действием силы магнитного либо электростатического притяжения, незадействованная же часть массы останется так же, как и прежде сыпучей. Сейчас достаточно, по выражению Огюста Родена, «отсечь всё лишнее» — либо, правильнее, стряхнуть песок с готовой формы.
Модульный мир
На данный момент существует уже пара десятков проектов создания модульной робототехники. При всей схожести задач проекты эти различаются архитектурой и философией. Два основных подхода в построении совокупностей модульных роботов возможно обозначить как «пространственный» и «цепной». В первом случае конструкторы пробуют «научить» отдельные модули планировать в пространственные конфигурации наподобие кубов либо шестигранников.
Наряду с этим управление роботами и выполнение ими поставленной задачи происходят в параллельном режиме. Проект Claytronics относится как раз к «пространственному» типу, так же как и проекты Fracta и Proteo. Второй подход предписывает последовательное размещение модулей в виде линейных объектов, напоминающих гусениц либо кроме того деревья с разнообразными ответвлениями. «Цепному» роботу значительно легче дотянуться до нужной точки в пространстве, что делает такую схему более универсальной и функциональной, но наряду с этим и более сложной в программировании и разработке. К цепным совокупностям относятся такие проекты, как PolyBot G3M-TRAN III и Molecubes
Механика без механизмов
Принцип масштабируемости ставит перед учёными последовательность непростых задач. Вот одна из них
Сам себе электродвигатель
Робот в простом понимании этого слова — электронно-механическое устройство. Кроме центрального процессора, контроллеров, памяти, сенсоров, он включает в себя сложную совокупность аккуратных механизмов. Перенесение всей данной машинерии на субмиллиметровый уровень фактически невозможно. Выход возможно отыскан в конструировании таких роботизированных модулей, каковые смогут двигаться относительно друг друга, не имея движущихся частей.
Для этого авторы проекта Claytronics предполагают применять силу магнитного притяжения/отталкивания.
Планарные катомы, с которыми трудятся сейчас в лаборатории, имеют «на борту» комплект из 24 электромагнитов. Они расположены по периметру окружности цилиндра на двух уровнях — другими словами два круга по 12 магнитов. Верхние и нижние магниты расположены относительно друг друга в шахматном порядке. Разнесение на два уровня пригодилось чтобы избежать интерференции магнитных полей.
Полярностью магнитов руководит электроника — любой из катомов является компьютером с центральным процессором, приёмно-передающим набором и устройством контроллеров. В случае если магниты в соприкасающихся сегментах отталкиваются, тогда как магниты в соседних противостоящих сегментах, напротив, создают притяжение, появляется крутящий момент и катомы начинают вращаться относительно друг друга. Практически речь заходит о линейном электродвигателе, в котором роль ротора и статора делают отдельные модули.
шарниры и Держатели
Но, вращение соседних катомов в противоположных направлениях может поменять ориентацию, но не положение модулей в пространстве. Для передвижения в сборки нужен более сложный механизм, основанный на том же принципе. Дабы при происхождении крутящего момента один из катомов поменял положение, а второй остался на месте, потребуется сборка из четырёх модулей. Два из них будут делать функции «держателей».
Образуя треугольную конструкцию с третьим катомом («шарниром»), они удерживают его от вращения около собственной оси, вызывая в соприкасающихся с ним сегментах силу притяжения. Четвёртый катом — «движитель» — совершает перемещение довольно статичного «шарнира» благодаря созданному электромагнитами крутящему моменту.
Лишь самое нужное!
Кроме «масштабируемости» ещё одно наиболее значимое понятие — «теорема сборки» (ensemble axiom)
Питать друг друга
Теоремой сборки именуется принцип, в соответствии с которому катом должен быть наделён только теми функциями, каковые разрешали бы ему действенно трудиться во взаимодействии с другими катомами. Исследовательская несколько Сета Голдстайна и Теда Маури видит перед собой задачу предельного упрощения конструкции модуля при большом применении её возможностей.
Как и любой робот, катом испытывает недостаток в энергии. Вопрос о том, как организовать питание модуля, решается участниками проекта Claytronics в духе теоремы сборки: отдельный модуль не должен продолжительное время хранить в себе большой запас энергии и не будет нуждаться в предварительной подзарядке. Значительно более верный путь — обучиться передавать и распределять энергию в массы катомов.
Стало известно, что те же самые электромагниты, каковые употребляются в качестве движителя для катомов, способны выступать и в роли приёмников-передатчиков энергии путём электромагнитной индукции. Управляющий электромагнитом контроллер, что выстроен на полевых транзисторах, трудится в этом случае как импульсный источник питания по схеме полного мостового выпрямителя. Он разрешает генерировать достаточно сильное переменное магнитное поле, индуцируя ток в обмотке магнита, находящегося в прилегающем сегменте соседнего катома, и «накачивая» модуль энергией.
Перемещение, ориентация, сообщение
Вторая задача — обеспечение отдельного модуля сенсорным аппаратом, разрешающим определять собственное положение и ориентацию довольно соседних катомов. В современных макромоделях она решается посредством установленных на катомах датчиков и инфракрасных излучателей. В моделях нового поколения — они находятся в разработке — локализация катома будет кроме этого производиться посредством электромагнитной индукции.
Переменное магнитное поле станет и носителем данных, которыми начнут обмениваться катомы в ходе передвижений.
Так, на следующем этапе реализации проекта электромагнит в модуле станет единственным универсальным устройством, которое обеспечит передвижение катомов в сборке, приём-передачу энергии, выполнит коммуникации и задачи локализации в группы модулей, — что в полной мере соответствует теореме сборки.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№70, август 2008).
<
h4>