Более десяти лет назад робот по имени Рейнджер, который тогда был ещё совсем юным и нескладным, прошёл пешком ультрамарафон. На нём была красная бейсболка с вышитой спереди надписью:«Корнелл». Он медленно, но уверенно преодолевал дистанцию и в итоге прошёл 40,5 миль, или 65 километров, на одном заряде аккумулятора.
В тот день Рейнджер установил рекорд, пройдя большее расстояние, чем любой другой робот до него. Этот рекорд среди роботов не побит до сих пор. Примечательно, что Рейнджер преодолел расстояние за 30 часов 49 минут, то есть примерно за милю каждые 45 минут. Для сравнения, среднестатистический человек может идти со скоростью примерно 3 мили в час, а марафонцы пробегают милю за 10–12 минут.
Как выяснилось, создать робота, который мог бы передвигаться так же быстро и изящно, как люди и животные, на короткие и длинные дистанции, невероятно сложно. При создании роботов часто используются более прочные и мощные материалы. Однако, именно детали, отвечающие за координацию различных частей робота, играют ключевую роль в определении его скорости и маневренности.
Именно здесь биологические существа обладают преимуществом, согласно новому исследованию, проведённому Сэмюэлем Берденом, профессором робототехники.
Когда каждая подсистема рассматривалась изолированно, роботы, за очень немногими исключениями, превосходили животных.
Чтобы понять, почему животные могут опережать роботов, Берден и его команда разобрали основные компоненты системы, а затем сравнили биологическую версию с инженерной. Они выбрали такой подход, потому что не хотели сравнивать конкретных роботов с отдельными видами животных. Как говорит Берден, «мы не хотели уничтожать какого-то конкретного робота». Таким образом, сравнение было максимально объективным, ведь ни один робот или животное не созданы исключительно для бега.
Исследовательская группа изучала компонентные системы, которые включают в себя мощность, каркас (как у скелетов позвоночных животных, так и экзоскелетов насекомых), приведение в движение (осуществляемое с помощью мышц у биологических существ и двигателей у роботов), сенсорное восприятие (например, то, как земля выглядит и ощущается под ногами) и контроль. Каждый из этих элементов напрямую влияет на результаты спортсмена во время бега.
Например, Ranger выделяется своей мощностью: он способен преобразовывать энергию, накопленную в аккумуляторе, в шаги на значительное расстояние и время. Однако, когда речь заходит о восприятии и контроле, он уступает другим моделям. Во время ультрамарафона по идеально подготовленной легкоатлетической трассе даже незначительные неровности местности могли бы помешать его продвижению.
Удивительно, но исследования показали, что если рассматривать каждую подсистему отдельно, то роботы, за очень редким исключением, превосходят животных.
Например, кости и биологические экзоскелеты обычно слабее, чем материалы, из которых сделан корпус робота — сталь, алюминий и углеродное волокно. Хотя жир является более богатым источником энергии, чем лучшая батарея, робот на бензине всегда переживёт животное, если у него будет неограниченный доступ к топливу.
Однако есть одна категория, которая стала исключением — это мозг животных. Он предсказуемо превосходит кремниевые чипы по количеству содержащихся в нём нейронов. Но пока неясно, может ли большее количество нейронов само по себе определять ловкость движений робота или животных.
Почему же мы до сих пор не создали роботов, которые бегают не хуже животных, а то и лучше? Этот вопрос не праздный и не философский.
«Есть много ситуаций, когда было бы очень полезно, если бы наши роботы могли сравниться или даже превзойти животных по своим возможностям, — говорит Берден. — Например, мы могли бы создать более совершенные вспомогательные устройства, такие как экзоскелеты или протезы».
По мнению Бердена, инженеры уделяли слишком много внимания деталям своих роботов, не задумываясь о том, как эти детали взаимодействуют друг с другом. Он предлагает изменить подход и вместо того, чтобы стремиться к использованию новейших, самых современных и дорогих компонентов, которые сделают робота лучше, обратить внимание на уже имеющиеся детали и улучшить их работу. Один из способов достичь этого — разработать новые показатели, которые позволят количественно оценить работу всей системы или более тесно интегрированных подсистем.
Как отмечают Берден и его коллеги в своей статье, у животных было в 10 миллионов раз больше поколений, чем у роботов. С точки зрения индивидуального опыта животные обычно живут дольше роботов и могут делать примерно 10 000 шагов в день в течение десятилетий своей жизни. У них было гораздо больше времени, чтобы научиться бегать и ходить.
Эволюция, возможно, дала животным преимущество, но, по мнению Бердена, у робототехники есть шанс догнать их развитие. Он утверждает, что в отличие от эволюции, которая происходит случайным образом, инженеры — мастера оптимизации. Они просто ещё не определили, какие именно свойства нужно оптимизировать.
"Прогресс", присоединяйся!