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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.