Mercedes-Benz

Вперед в будущее

Умные бабочки, муравьи-автоматы: с помощью своих бионических роботов компания Festo – один из поставщиков комплектующих для Daimler AG – изучает мобильность завтрашнего дня.
Вперед, будущее, mercedes, me, технологии, будущего, разработки

То, что нас ждет, завораживает.

Проворными шажочками семенит он по полу, то поднимая, то опуская свои шесть ножек, в то время как его глаза оценивают окружающую обстановку. Из головы его «растет» пара тонких усиков-антенн, а черное тельце украшает золотистый узор, образованный миниатюрными проводами, по которым – словно по открытой нервной системе – течет электричество. Поистине умным выглядит этот маленький искусственный муравей. Показалось? Или он все-таки улыбнулся?

Управляют этим бионическим насекомым алгоритмы. В голове его прячутся стереоскопические видеокамеры, в животе – датчики, во внутренностях – антенны. Пьезокерамические актуаторы изгибного типа (подробнее расскажем ниже) управляют движением его ног, на тельце нанесены трехмерные токопроводящие дорожки. Благодаря этому муравей может видеть и перемещаться, тянуть и хватать. Он умеет призывать на помощь и коммуницировать с себе подобными. Муравей BionicAnt действует автономно, он способен принимать решения и координировать свои действия с другими. Этот миниатюрный робот длиной почти 14 см имитирует свой прототип в природе благодаря самым современным технологиям, применяемым на минимальном пространстве.

Муравей BionicAnt, разработанный немецкой компанией Festo, – объект, очень наглядно иллюстрирующий, в какие революционные времена мы живем. Никогда прежде не пересекалось сразу так много областей исследований, никогда еще инновации не дополняли столь плодотворно друг друга, а связанные между собой компании из разных уголков мира не форсировали столь стремительно свои проекты. Результат этого – эффект снежного кома процесса технологизации – мы сегодня с изумлением и наблюдаем. Сфера мобильности уже давно охвачена этим процессом, он будет определять ее и в будущем.

BionicAnt, Вперед, будущее, mercedes, me, технологии, будущего, разработки
Робот BionicAnt скрывает в себе массу технологий и реагирует как настоящий муравей

1 - Ноги. Пьезокерамические актуаторы изгибного типа приводят в движение шесть ножек
2 - Процессор.  Распределяя сигналы, он управляет ножками и миниатюрными жвалами-захватами
3 - Энергия.  Зарядная цепь преобразует 8,4 Вольт в 300 Вольт
4 - Кольцевая цепь.  Ее выходные каскады являются связующим звеном с исполнительными механизмами
5 - Аккумуляторы.  Два литий-полимерных элемента обеспечивают напряжение 8,4 Вольт (до 40 минут)
6 - Кристалл с датчиком.  Сканируя поверхность, он рассчитывает расстояния
7 - Глаза.  3D-стереокамеры распознают окружающую обстановку и объекты
8 - Жвалы-захваты.  Они способны хватать предметы, тянуть их или толкать
9 - Антенны-усики.  С их помощью муравей самостоятельно подключается к зарядной станции

Армия умных муравьев

Ключевые слова новой эпохи: робототехника, сенсорная техника, автоматизация. 

Возможности связи, 3D-печать и облегченные конструкции. Кинематика, адаптируемость, миниатюризация, интеграция сразу нескольких функций на одном крохотном компоненте. Плюс к этому – сила алгоритмов. Искусственный интеллект. Самообучающиеся системы. Голова идет кругом? Да, у многих из нас. Поэтому понять это как раз и помогают такие конкретные проекты, как искусственный муравей.

Разработал его коллектив Bionic Learning Network – группа исследователей под руководством компании Festo в Эслингене. Эта компания, насчитывающая 18 800 сотрудников, является одним из ведущих мировых специалистов в области автоматизации, а также давним поставщиком комплектующих для концерна Daimler AG. Учредив команду специалистов по бионике, Festo обзавелась, таким образом, уникальной «фабрикой мысли», где инженеры и дизайнеры, биологи и программисты генерируют концепции будущего. В своей работе эта команда вдохновляется эталоном, которому уже миллионы лет, – самой природой.

Себастьян Шроф, промышленный дизайнер, специализирующийся на робототехнике и один из разработчиков данного муравья для Festo, поднимает бионическое насекомое с пола и кладет его обратно в пластмассовый ящик. Данный экземпляр, которому он дал шуточное имя Шмуккини, – один из 12 искусственных муравьев, демонстрирующих свои возможности по всему миру на разных выставках и техношоу. Как правило, это зрелище вызывает у посетителей немалое изумление: роботы BionicAnts не только воспроизводят изящную анатомию настоящих муравьев, но и за счет алгоритмов имитируют их когнитивные способности.

Оказавшись на «свободе», каждый из муравьев сначала составляет себе план местности и делится им с собратьями. Таким образом, эти роботы быстро «осознают», где находятся они сами и где находятся соплеменники. Если перед кем-то из них вдруг встанет задача сдвинуть какой-нибудь предмет, то коллегам будет послан радиосигнал. Другие муравьи немедленно приползут на помощь и налягут вместе на сдвигаемый предмет, поскольку в их памяти сохранилось знание: в коллективе они сильнее. Поэтому объединенными усилиями они сдвигают препятствие с пути. И тут не надо никакого оператора с пультом дистанционного управления.

Мозг из цифр

Уже шесть лет в составе команды специалистов по бионике компании Festo Надин Керхер занимается разработкой программного обеспечения для искусственных созданий. Вместе с ИТ-экспертами из Ульмского университета она среди прочих вещей написала также алгоритмы, которые и превращают муравьев в действующие сущности. Речь идет о сложных уравнениях, базирующихся на отдельных, максимально точно сформулированных шагах. Чтобы весь процесс было легче представить, Надин описывает это следующим образом: «Мы инструктируем муравья: если наступит то-то, ты сделаешь то-то. Если твои датчики зафиксируют нечто справа, то ты сделаешь маневр влево. А если твой аккумулятор разрядится, то ты отправишься к зарядной станции». Алгоритмы представляют собой практически бесконечные цепочки цифр, исполняемые процессорами.

В задней части муравья располагается процессор, своего рода мозг, обрабатывающий и распределяющий сигналы, – они управляют его ногами и жвалами-захватами. Самая изумительная способность муравья – симуляция роевого интеллекта. «При этом отдельные системы согласовываются между собой, – поясняет Надин Керхер. – В коллективе они берут на себя задачи, решить которые одной системе будет не под силу». Чтобы приводить в движение ноги насекомого, Festo использует так называемую пьезоэлектрическую технологию, суть которой в следующем: если на специальный кристалл подать напряжение, то он отреагирует механической работой. Поверхность элемента изменяет свою форму – растягивается либо стягивается. И наоборот: механическое напряжение заставляет пьезокристалл генерировать электрическое напряжение. Это крайне эффективное взаимодействие. Именно так шесть лапок муравья приводятся в движение – за счет применения пьезокерамических актуаторов изгибного типа.

Кроме того, в случае муравья используется метод литого монтажного основания (MID, Molded Interconnect Device). То есть на поверхность напечатанных на 3D-принтере деталей наносятся видимые трехмерные токопроводящие дорожки. В результате получается литое изделие, одновременно выполняющее механическую и электронную функции, – компонент-универсал.

Вперед, будущее, mercedes, me, технологии, будущего, разработки, кенгуру, робот
В помещениях компании Festo уже как-то видели скачущего искусственного кенгуру. 

Новые технологии подстегивают фантазию. В помещениях компании Festo уже как-то видели скачущего искусственного кенгуру. Специалисты по бионике подсмотрели у настоящего кенгуру поразительную вещь. Подобно резиновому мячу, животное при каждом приземлении получает обратно силу, затраченную на прыжок, и использует ее затем для следующего прыжка. Оно смещает свой центр тяжести, чтобы прыгать, описывая различные параболы. Элиас Кнуббен, возглавляющий команду биоников Festo с 2012 года, рассказывает: «Мы тщательно присмотрелись к тому, что происходит с линейными осями и импульсами, которые нужно приводить в движение и тормозить. При этом поняли, как можно было бы наиболее экономично обходиться с энергией. При каждом прыжке кенгуру возвращает 80% своей энергии. И нужно добавить лишь 20%, чтобы совершить очередной прыжок в полную силу и приземлиться. Гениальный принцип».

Специалисты по бионике из Festo уже сумели воспроизвести язык хамелеона, в результате чего появился FlexShapeGripper. Подобно языку настоящего животного, это захватное устройство будто обволакивает объекты, чтобы их схватить, – с помощью эластичного силиконового колпака. У осьминога они подглядели особенности его щупалец.

Искусственная рука-щупальце каракатицы отличается гибкостью и работает за счет пневматики. Обхватывая предметы, своими присосками она способна создавать вакуум, схватывать гладкие поверхности и даже стеклянные пластины. Хобот слона и рыбьи плавники также стали образцами для подражания при создании крайне умелых захватных устройств. Такие роботы могут хватать помидоры, яблоки и даже сырые яйца. «С каждым новым проектом мы все больше учимся у природы, получая колоссальные знания, – рассказывает Элиас Кнуббен, – и многое уже дошло до производства». Ведь фундаментальные исследования – не самоцель. Речь идет здесь об использовании новых материалов, испытании датчиков в новых контекстах или даже о поиске ответов на вопросы: что получится, если скрестить информатику с биологией? Высшая цель здесь – узнать о возможностях наступающей эры. И реализовать эти возможности.

Робот ради человека

Способствовать развитию автомобилей дня завтрашнего робототехника может, прежде всего, на производстве. Роботы будущего смогли бы покинуть на заводах свои клетки и начать работать вместе с людьми. Они могут двигаться за счет тонкой работы сервомоторов, распознавать с помощью датчиков, когда нужно остановиться. Такие прототипы, как BionicCobot, полностью обходятся без стали и электромоторов. Сжатый воздух управляет их суставами, осями в локтях, предплечьем и лучезапястным суставом. Он способен энергично хватать, а также осторожно что-то поднимать, плотно прижимать и даже легонько касаться плеча сотрудника, чтобы привлечь его внимание. Будто бы собираясь ему сказать: «Вот, возьми – нам нужно вкрутить еще и этот винт».

В концерне Daimler AG подобные разработки вызывают большой интерес. «Нам хотелось бы иметь умных роботов, умеющих распознавать ошибки, думать вместе с нами и соответствующим образом реагировать, будучи при этом управляемыми столь же интуитивно, как и смартфон», – поясняет Симон Клумпп, разработчик процессов в Daimler AG, курирующий вопросы сборки, робототехники и автоматизации.

Вперед, будущее, mercedes, me, технологии, будущего, разработки
Способствовать развитию автомобилей дня завтрашнего робототехника может, прежде всего, на производстве.

Главная задача – суметь предоставить каждому клиенту максимально персонализированный продукт, поэтому рабочие этапы на производстве должны становиться все более вариабельными и индивидуальными. «Кооперация между людьми и роботами будет приобретать все большее значение, – подчеркивает Симон. – Но для этого отдельные датчики должны интегрироваться вместе, образуя единое целое. Машины становятся более чуткими, начинают еще лучше видеть, лучше захватывать и в идеале – обучаться в процессе».

В этом направлении и пойдет развитие: будут разрабатываться умные системы, оказывающие людям все большую поддержку. А благодаря совершенствованию искусственного интеллекта, дальнейшему развитию сетевой интеграции и постоянно растущему за счет этого обмену данными многие из инноваций воплотятся и в нашей повседневной жизни. Идея-мечта об автоматизированном вождении, способном снизить число аварий, становится благодаря совершенствованию сенсорных технологий все ближе к реальности. Интеллектуальный поиск места для парковки – настоятельная необходимость, особенно в мегаполисах, – тоже мог бы быть организован более эффективным образом.

И в более широком смысле природа также остается мерой всех вещей: Элиас Кнуббен из компании Festo имеет в виду нейросети и роевый интеллект. «Это стало бы следующим технологическим скачком», – подчеркивает он. А его самый последний бионический проект очень пластичным, совершенно осязаемым образом демонстрирует, что нас ждет впереди.

Полет бионической бабочки

eMotionButterfly, Вперед, будущее, mercedes, me, технологии, будущего, разработки
eMotionButterfly вдоволь налетавшись, аккуратно садится на вытянутую руку эксперта по бионике.

Этим утром руководитель команды биоников, находясь в стеклянном вестибюле штаб-квартиры компании, выпускает бабочек полетать. Они проворно порхают вокруг, игриво и почти поэтично. Это кажется чудом – будто легкий, как перышко, пример интеллектуальной мобильности будущего. 

eMotionButterfly – это бионический мотылек весом 27 г, владеющий сложным принципом управления машущим крылом. Его крылья обеспечивают ему одновременно движение вперед и вверх. Его выдержанное в духе минимализма тельце распечатано на 3D-принтере, а тончайшая пленка натянута на рамку из карбона. Моторы и электроника получились здесь столь миниатюрными, что с расстояния один метр их едва ли можно разглядеть.

Чтобы держаться в воздухе, бионической бабочке требуется совсем немного энергии. 10 инфракрасных камер, расположенных в помещении, определяют местоположение каждого насекомого, делают по 160 снимков, миллиарды пикселей в секунду. Так они отслеживают миниатюрнейшие маркеры, установленные на бабочках. Мотыльки не сталкиваются друг с другом, они умело выполняют маневры уклонения, внезапно всей стаей изменяя направление движения.

И, вдоволь налетавшись, они аккуратно садятся на вытянутую руку эксперта по бионике.