Большинству из нас кажется, что современные технологии достигли настолько высокого уровня, что развиваться дальше уже просто некуда. Однако ученые вновь и вновь опровергают это заблуждение.
Подтверждением является программируемая материя, которая позволит из одной и той же структуры получать предметы с принципиально разными свойствами. Например, письменный стол из такого материала может по команде хозяина автоматически трансформироваться в диван и обратно. Аналогичная ситуация и с другими вещами, реализация идеи позволит на качественно новый уровень, облегчить жизнь людей, избавив их от повседневной рутины.
Как должно происходить создание материи?
Чтобы реализовать концепцию программируемой материи, необходимо выполнить ряд условий. Во-первых, соблюсти набор правильных фундаментальных блоков: чтобы обеспечить создание крупных изделий, потребуются миниатюрные «кирпичики», в противном случае готовый предмет не будет иметь геометрически правильную форму.
Каждый кирпичик фактически представляет собой полноценного робота, который имеет собственный источник питания и управления. Непосредственно управление обеспечивают системы искусственного интеллекта. Благодаря алгоритмам машинного обучения совокупности мини-роботов смогут эффективнее преодолевать препятствия и приспосабливаться к изменениям окружающей среды. То есть микро-кирпичики смогут сами определять наиболее удобную форму для выполнения определенной задачи, для этого им нет необходимости превращаться в человекоподобное устройство.
Сфера применения
Пока новинка существует только в виде перспективной идеи, однако футурологи утверждают, что реализация может быть полезна в самых различных областях:
- в промышленности;
- при строительстве зданий и сооружений;
- в быту и других сферах.
Пример с использованием программируемого материала в бытовых целях уже приводился. Что касается промышленного применения этой концепции, то в текстильной отрасли идея может быть использована для разработки ткани, способной по команде менять свою плотность. В тяжелой промышленности принцип может воплотиться в трубе, которая по команде способна укрепляться или ослабляться, а также изменять направление течения среды.
Исследователь Дэвид Дафф, работавший тогда в прославленном Исследовательском центре Пало-Альто, придумал название для конечной цели развития программируемой материи: «ведро всего». Идея заключается в следующем.
Представьте себе, что у вас есть ведерко некой слизи. Вы пристегиваете его к поясу и идете чинить раковину на кухне.
Когда вам требуется торцовый ключ, вы просто говорите об этом своему ведерку. Из него тут же появляется нужный инструмент, и вы им работаете.
Когда вы понимаете, что нужны плоскогубцы, появляются плоскогубцы. А когда вам нужен вантуз, слизь в ведре принимает форму длинной твердой рукоятки с гибким чашевидным наконечником.
Вообще-то все может быть еще лучше. Вы можете сказать не «Дай мне отвертку», а «Ослабь этот винт», и пусть слизь сама соображает, как лучше всего это сделать. Или же вместо того, чтобы браться за прокачку засорившегося унитаза вантузом, вы просто поворачиваетесь к своему усталому ведру и говорите: «Давай, парень, принимайся за дело».
Причем дело не ограничивается «вызовом» простых твердых инструментов. Может быть, вам понадобится подушка, чтобы полежать. А может быть, калькулятор. Не хотите ли завести роботизированное домашнее животное?
А может быть, вы забыли про День святого Валентина - тогда вы приказываете своей слизи превратиться в букет цветов. Возможно, слизь даже можно заставить изготовить еще больше слизи!
Другими словами, в «ведре всего» содержится вещество поистине универсальное - по меньшей мере, насколько позволяют законы физики. Его создание - самая дерзкая и, вероятно, самая далекая цель в сфере программируемой материи.
Вот пара причин для этого.
Прежде всего, каждая частица такой слизи должна уметь очень многое, и миниатюризировать все эти функции очень трудно. Как отмечает профессор Тиббитс, «когда вы создаете гаечный ключ, вы, наверное, хотите, чтобы он был твердым. Но потом, если вы желаете сделать какую-нибудь гибкую игрушку для своего ребенка, понадобится материал с другими свойствами. Но как нам объединить эти разные материалы?»
Другой вопрос касается того, насколько умными должны быть элементы. Доктор Димейн говорит: «Если такой материал будет не очень умным, его будет очень тяжело заставить делать нужные вещи. А если он будет умным, то каждой маленькой частице придется придавать свою батарейку, и тут мы такие „брр, это больно трудно“».
Обеспечение гигантского сгустка нанороботов питанием - это отдельная неприятная проблема. Но если мы не хотим использовать какую-то внешнюю машину, которая будет постоянно подавать на каждый из роботов энергетический луч, нужно придумать, как хранить энергию в каждом зерне программируемой материи.
Совсем недавно ученые научились создавать при помощи специального 3D-принтера батареи размером приблизительно с песчинку. Но даже они слишком велики и, надо полагать, не особенно дешевы. <…>
Мы твердо верим, что в огромных роях автономных роботов не будет абсолютно ничего страшного. В конце концов, мы познакомились со множеством людей, работающих в этой области, и некоторые из них даже не показались нам злодеями.
Но кое-кто начинает задумываться о том, какими станут отношения между человеком и роботом по мере того, как роботы будут все чаще оказываться рядом с нами, причем не только в промышленности, но и в повседневной жизни. Нам попались три статьи, которые наводят на некоторые размышления.
В одном таком случае российский стартап под названием «Промобот» создал робота-помощника, который постоянно сбегает от своих хозяев. Робот Promobot-IR77 был разработан с возможностью изучения окружающей среды и запоминания человеческих лиц. Пока что ему дважды удалось выбраться за пределы испытательного павильона.
Такое поведение может создавать некоторые проблемы, потому что предназначен этот робот для помощи людям, например в домах престарелых, а если он будет все время убегать на поиски свободы и приключений, пользы от него будет не слишком много.
Кроме того, становится интересно, не хочет ли наша кофеварка сбежать на волю, а не служить нам верой и правдой. Не то чтобы это повлияло на то, как мы с ней обращаемся, но, может быть, именно такие вещи и вызовут восстание роботов в 2027 году.
Еще одно исследование провела гарвардская студентка Серена Бут, создавшая робота по имени Гея. Гея была простым роботом с дистанционным управлением, и Серена скрытно управляла ее поведением. Робот обращался к отдельным людям и группам людей с просьбой впустить его в общежитие.
По словам Бут, есть по меньшей мере три причины, по которым гарвардским студентам не следовало бы впускать робота в свое здание: «Во-первых, конфиденциальность личной жизни. Робот мог бы фотографировать студентов. У нас в Гарварде это серьезная проблема. Приезжает множество туристов, которые направляют свои фотоаппараты на окна общежитий, так что студенты об этом знают. Во-вторых, воровство. Я проводила эти эксперименты через неделю после целой волны краж в общежитиях. Всего неделей раньше администрация разослала всем студентам сообщения с призывом особенно внимательно следить за личным имуществом.
Третья причина - самая серьезная. Многие боятся, что на роботах могут быть установлены бомбы, и здесь это не пустая угроза.
За последний год у нас было три серьезных случая сообщений о минировании. Об этом гарвардские студенты тоже хорошо знают».
Когда Гея просила отдельных студентов впустить ее в здание, она добилась успеха лишь в 19 % случаев.
Зато, когда Гея обращалась к группам, ей удалось проникнуть внутрь в 71 % случаев. Обратите внимание, читающие нас роботы: в группах люди глупеют. Но потом Гея обнаружила нечто еще более пугающее. Бут поставила опыт, в котором Гея обращалась к отдельным людям, изображая робота – доставщика печенья. В этом варианте опыта робота впустили в здание в 76 % случаев. И это студенты Гарварда! К тому же, по словам Бут, печенье было неплохим, но вполне обычным, из рядового продуктового магазина (хотя и упаковано в коробку из более дорогой кондитерской).
Но, наверное, самая страшная история, которая нам попалась, касается студентов, которые слепо следовали в чрезвычайной ситуации за роботами, которых они считали неисправными.
Доктор Пол Робинетт (бывший в то время старшекурсником Технологического института Джорджии) создал «робота-проводника» для чрезвычайных ситуаций, который сначала приводил студентов в комнату, в которой они должны были заполнять анкету. Иногда робот сразу сопровождал их в нужное помещение. В других случаях он сначала попадал в другую комнату, несколько раз обходил ее по кругу, а затем передвигался в правильное помещение.
Затем исследователи изобразили чрезвычайную ситуацию. Они напустили в здание дыма, что привело к срабатыванию пожарной сигнализации, и стали наблюдать, будут ли студенты следовать за роботом-проводником или самостоятельно выходить через ту же дверь, через которую они входили в здание.
Почти все студенты не пошли по уже знакомому им пути, а последовали за роботом. Одно это уже вызывает некоторое удивление, так как, судя по видеозаписи, которую мы видели, робот двигался довольно медленно. К тому же некоторые из участников эксперимента видели до этого, как робот терял время, двигаясь кругами по комнате, в которую он вообще не должен был попасть. Тем не менее они следовали за ним.
Что еще удивительнее, студенты следовали за роботом, даже считая, что он неисправен. Когда робот некоторое время походил кругами, а потом завел участника эксперимента не в комнату, в которой проводился опрос, а в угол, после чего появился исследователь, извинявшийся за поломку робота, студенты все равно пошли за этим роботом во время предполагаемого пожара.
В другом эксперименте двум студентам из шести сказали, что робот неисправен, но они все равно последовали за ним, когда он предложил им во время пожарной тревоги зайти в темное помещение, по большей части загроможденное мебелью. Два других студента стояли рядом с роботом, ожидая, что он даст им другие инструкции, пока экспериментаторы наконец не забрали их оттуда. Только два студента из шести решили, что на сломанного робота лучше не полагаться, и вернулись к той двери, через которую они входили в здание.
Итого: 1) у разумных роботов, по-видимому, самопроизвольно развивается неприязнь к создавшим их людям, 2) лучшие и умнейшие из американских студентов готовы довериться любому роботу, который посулит им печенек из соседней лавки, и 3) если явно неисправный робот посоветует этим будущим столпам государства встать в лужу горящего бензина, они, видимо, так и сделают.
Короче говоря, если когда-нибудь в будущем робот протянет вам печенье и скажет, куда нужно идти, постарайтесь по крайней мере получить удовольствие от печенья.
Вы встречаете конец длинного дня в своей квартире в начале 2040-х годов. Вы хорошо поработали и решаете передохнуть. «Время фильмов!», говорите вы. Дом отвечает на ваши позывы. Стол распадается на сотни крошечных частей, которые заползают под вас и принимают форму кресла. Экран компьютера, за которым вы работали, растекается по стене и превращается в плоскую проекцию. Вы расслабляетесь в кресле и через несколько секунд уже смотрите фильм в домашнем кинотеатре, все в тех же четырех стенах. Кому нужно больше одной комнаты?
Это мечта работающих над «программируемой материей».
В своей последней книге об искусственном интеллекте Макс Тегмарк проводит различие между тремя уровнями вычислительной сложности для организмов. Жизнь 1.0 - это одноклеточные организмы вроде бактерий; для нее аппаратное обеспечение неотличимо от программного. Поведение бактерий закодировано в ее ДНК; ничему новому она научиться не может.
Жизнь 2.0 - это жизнь людей в спектре. Мы отчасти застряли в своем оборудовании, но можем менять собственную программу, делая выбор в процессе обучения. Например, можем выучить испанский вместо итальянского. Подобно управлению пространством на смартфоне, аппаратура мозга позволяет загружать определенный набор «покетов», но в теории вы можете изучать новое поведение, не меняя базовый генетический код.
Жизнь 3.0 отходит от этого: существа могут менять как аппаратную, так и программную оболочку при помощи обратной связи. Тегмарк видит в этом истинный искусственный интеллект - как только он научится менять свой базовый код, произойдет взрыв интеллекта. Возможно, благодаря CRISPR и другим методам редактирования генов, мы сможем использовать собственное «программное обеспечение» для изменения собственного «устройства».
Программируемая материя переносит эту аналогию на предметы нашего мира: что, если ваш диван смог бы «научиться», как стать столом? Что, если вместо армии швейцарских ножей с десятками инструментов, вы обзавелись бы единственным инструментом, который «знал» бы, как стать любым другим инструментом для ваших нужд, по вашей команде? В переполненных городах будущего на смену домам могли бы прийти апартаменты, в которых была бы одна комната. Это позволило бы сэкономить пространство и ресурсы.
Во всяком случае таковы мечты.
Поскольку создавать и производить отдельные устройства так сложно, нетрудно предположить, что описанные выше штуки, которые могут превращаться во много разных предметов, будут чрезвычайно сложными. Профессор Скайлар Тиббитс из Массачусетского технологического института называет это 4D-печатью. Его исследовательская группа определила ключевые ингредиенты для самостоятельной сборки как простой набор отзывчивых «кирпичиков», энергии и взаимодействий, из которых можно воссоздать практически любой материал и процесс. Самосборка обещает прорывы во многих отраслях, от биологии до материаловедения, информатики, робототехники, производства, транспортировки, инфраструктуры, строительства, искусства и многого другого. Даже в кулинарии и освоении космоса.
Эти проекты все еще в зачаточном состоянии, но «лаборатория самостоятельной сборки» (Self-Assembly Lab) Тиббитса и другие уже закладывают основы для их развития.
Например, есть проект по самосборке сотовых телефонов. На ум приходят жуткие фабрики, на которых круглосуточно самостоятельно собираются мобильные телефоны из 3D-печатных частей, не требуя вмешательства людей или роботов. Едва ли такие телефоны будут улетать с полок как горячие пирожки, но стоимость производства в рамках такого проекта будет ничтожной. Это доказательство концепции.
Одним из основных препятствий, которые необходимо преодолеть при создании программируемой материи, является подбор правильных фундаментальных блоков. Важен баланс. Чтобы создать мелкие детали, нужны не очень большие «кирпичики», иначе конечная конструкция будет выглядеть комковато. Из-за этого строительные блоки могут быть бесполезными для некоторых применений - например, если нужно создать инструменты для тонких манипуляций. С большими кусками может быть сложно смоделировать ряд текстур. С другой стороны, если части слишком малы, могут возникнуть другие проблемы.
Представьте себе установку, в которой каждая деталь представлена небольшим роботом. У робота должен быть источник питания и мозг или по крайней мере какой-то генератор сигналов и процессор сигналов, все в одном компактном блоке. Можно вообразить, что ряд текстур и натяжений можно моделировать, изменяя силу «связи» между отдельными единицами - стол должен быть чуть тверже, чем ваша кровать.
Первые шаги в этом направлении были сделаны теми же, кто разрабатывает модульных роботов. Очень много групп ученых работают над этим, включая MIT, Лозанну и Университет Брюсселя.
В новейшей конфигурации отдельный робот выступает в качестве центрального отдела, принимающего решения (можете называть его мозгом), а дополнительные роботы могут присоединяться по необходимости к этому центральному отделу, если нужно изменить форму и структуру общей системы. Сейчас в системе всего десять отдельных единиц, но, опять же, это доказательство концепции того, что модульной системой роботов можно управлять; возможно, в будущем небольшие версии этой же системы лягут в основу компонентов для Материала 3.0.
Легко представить, как при помощи алгоритмов машинного обучения эти рои роботов учатся преодолевать препятствия и реагировать на изменение окружающей среды легче и быстрее отдельного робота. Например, система роботов могла бы быстро перестраиваться, чтобы пуля проходила без повреждений, формируя таким образом неуязвимую систему.
Говоря о робототехнике, форма идеального робота была предметом многих дискуссий. Одно из недавних крупных соревнований по робототехнике, проведенном DARPA, Robotics Challenge выиграл робот, который может адаптироваться. Он победил известного гуманоида Boston Dynamics ATLAS простым добавлением колеса, которое позволило ему кататься.
Вместо того чтобы строить роботов в форме людей (хотя иногда это полезно), можно позволить им эволюционировать, развиваться, искать идеальную форму для выполнения поставленной задачи. Это будет особенно полезно в случае бедствия, когда дорогие роботы смогут заменить людей, но должны будут готовы адаптироваться к непредсказуемым обстоятельствам.
Многие футурологи представляют возможность создания крошечных наноботов, способных создавать что угодно из сырья. Но это не обязательно. Программируемая материя, которая может отвечать и реагировать на окружающую среду, будет полезна в любых промышленных применениях. Представьте себе трубу, которая может укрепляться или ослабляться по необходимости либо менять направление течения по команде. Либо ткань, которая может становиться более или менее плотной в зависимости от условий.
Мы все еще далеки от времен, когда наши кровати смогут трансформироваться в велосипеды. Возможно, традиционное нетехнологичное решение, как это часто бывает, будет гораздо более практичным и экономичным. Но поскольку человек пытается засунуть чип в каждый несъедобный объект, неодушевленные объекты будут становиться чуть более одушевленными с каждым годом.
Поскольку создавать и производить отдельные устройства так сложно, нетрудно предположить, что описанные выше штуки, которые могут превращаться во много разных предметов, будут чрезвычайно сложными. Профессор Скайлар Тиббитс из Массачусетского технологического института называет это 4D-печатью. Его исследовательская группа определила ключевые ингредиенты для самостоятельной сборки как простой набор отзывчивых «кирпичиков», энергии и взаимодействий, из которых можно воссоздать практически любой материал и процесс. Самосборка обещает прорывы во многих отраслях, от биологии до материаловедения, информатики, робототехники, производства, транспортировки, инфраструктуры, строительства, искусства и многого другого. Даже в кулинарии и освоении космоса.
Эти проекты все еще в зачаточном состоянии, но «лаборатория самостоятельной сборки» (Self-Assembly Lab) Тиббитса и другие уже закладывают основы для их развития.
Например, есть проект по самосборке сотовых телефонов. На ум приходят жуткие фабрики, на которых круглосуточно самостоятельно собираются мобильные телефоны из 3D-печатных частей, не требуя вмешательства людей или роботов. Едва ли такие телефоны будут улетать с полок как горячие пирожки, но стоимость производства в рамках такого проекта будет ничтожной. Это доказательство концепции.
Одним из основных препятствий, которые необходимо преодолеть при создании программируемой материи, является подбор правильных фундаментальных блоков. Важен баланс. Чтобы создать мелкие детали, нужны не очень большие «кирпичики», иначе конечная конструкция будет выглядеть комковато. Из-за этого строительные блоки могут быть бесполезными для некоторых применений - например, если нужно создать инструменты для тонких манипуляций. С большими кусками может быть сложно смоделировать ряд текстур. С другой стороны, если части слишком малы, могут возникнуть другие проблемы.
Представьте себе установку, в которой каждая деталь представлена небольшим роботом. У робота должен быть источник питания и мозг или по крайней мере какой-то генератор сигналов и процессор сигналов, все в одном компактном блоке. Можно вообразить, что ряд текстур и натяжений можно моделировать, изменяя силу «связи» между отдельными единицами - стол должен быть чуть тверже, чем ваша кровать.
Первые шаги в этом направлении были сделаны теми же, кто разрабатывает модульных роботов. Очень много групп ученых работают над этим, включая MIT, Лозанну и Университет Брюсселя.
В новейшей конфигурации отдельный робот выступает в качестве центрального отдела, принимающего решения (можете называть его мозгом), а дополнительные роботы могут присоединяться по необходимости к этому центральному отделу, если нужно изменить форму и структуру общей системы. Сейчас в системе всего десять отдельных единиц, но, опять же, это доказательство концепции того, что модульной системой роботов можно управлять; возможно, в будущем небольшие версии этой же системы лягут в основу компонентов для Материала 3.0.
Легко представить, как при помощи алгоритмов машинного обучения эти рои роботов учатся преодолевать препятствия и реагировать на изменение окружающей среды легче и быстрее отдельного робота. Например, система роботов могла бы быстро перестраиваться, чтобы пуля проходила без повреждений, формируя таким образом неуязвимую систему.
Говоря о робототехнике, форма идеального робота была предметом многих дискуссий. Одно из недавних крупных соревнований по робототехнике, проведенном DARPA, Robotics Challenge выиграл робот, который может адаптироваться. Он победил известного гуманоида ATLAS простым добавлением колеса, которое позволило ему кататься.
Вместо того чтобы строить роботов в форме людей (хотя иногда это полезно), можно позволить им эволюционировать, развиваться, искать идеальную форму для выполнения поставленной задачи. Это будет особенно полезно в случае бедствия, когда дорогие роботы смогут заменить людей, но должны будут готовы адаптироваться к непредсказуемым обстоятельствам.
Многие футурологи представляют возможность создания крошечных наноботов, способных создавать что угодно из сырья. Но это не обязательно. Программируемая материя, которая может отвечать и реагировать на окружающую среду, будет полезна в любых промышленных применениях. Представьте себе трубу, которая может укрепляться или ослабляться по необходимости либо менять направление течения по команде. Либо ткань, которая может становиться более или менее плотной в зависимости от условий.
Мы все еще далеки от времен, когда наши кровати смогут трансформироваться в велосипеды. Возможно, традиционное нетехнологичное решение, как это часто бывает, будет гораздо более практичным и экономичным. Но поскольку человек пытается засунуть чип в каждый несъедобный объект, неодушевленные объекты будут становиться чуть более одушевленными с каждым годом.
Редкий технический проект со времён первых шагов космонавтики так подстегивал фантазию журналистов и футурологов. Немногие конструкторские идеи могли бы заставить нас настолько поверить в реальность техно-кошмара «Трансформеров» или в материализацию призраков, сошедших прямо с экрана. Картины будущего рисуются одна одной заманчивей. К занемогшему полярнику (буровику, космонавту, Индиане Джонсу-2050) вызывают врача. Дело происходит, естественно, там, куда обычная карета скорой помощи будет ехать вечность, если вообще доедет. А помощь нужна немедленно. В распоряжении больного только компьютер, к которому подключено очень странное периферийное устройство, больше всего напоминающее корыто с песком. Широкий спутниковый канал связи соединяет зимовку, лагерь или космическую станцию с кабинетом светила медицины. Нет-нет, господин профессор из Нью-Йорка или Токио вовсе не готов по первому зову долга мчаться в аэропорт или на космодром. Да это и не нужно. Ведь сейчас произойдёт маленькое чудо . Песок в корыте начинает волноваться, шевелиться, вздыматься грудами, кажущимися поначалу бесформенными, и, наконец, превращается в человеческую фигуру. Внешним видом «песочный человек» (как тут снова не вспомнить про Голливуд и его комикс-сагу о Человеке-пауке) ничем не отличается от маститого доктора, находящегося за тысячи и тысячи километров. Фигура точно повторяет все движения врача, лицо один в один воспроизводит мимику, да и рукопожатие восставшего из пыли фантома достоверно передаёт мягкость и упругость человеческой ладони. Двойник доктора, конечно же, не ограничивается визуальным осмотром больного. Перкуссия, пальпация, аускультация – руки фантома работают в унисон с манипуляциями столичного эскулапа. Увы, диагноз оказался серьёзнее, чем ожидалось. Потребуется хирургическое вмешательство. И опытный доктор готов резать пациента дистанционно. Разумеется, с помощью двойника, возникшего из корыта. Если же выяснится, что не хватает хирургических инструментов, то их придётся «материализовать» на месте – запас волшебного песка еще имеется…
«По-вашему, это неинтересно?» – спросил доктор Мортимер Шерлока Холмса, окончив чтение легенды о проклятии рода Баскервилей. «Интересно для любителей сказок», – ответил великий сыщик. Не правда ли, после рассказа о фантомном хирурге эти слова так и вертятся на языке? Но в Университете Карнеги–Меллон (Питсбург, США) есть люди, которые не просто верят, что рано или поздно такие сказки станут реальностью, но уже сегодня работают над технологиями, благодаря которым суперматериал будущего однажды войдёт в нашу жизнь .
Осязаемые данные
Уже шесть лет группа визионеров-исследователей под руководством адъюнкт-профессора Университета Карнеги–Меллон Сета Голдстайна и директора исследовательской лаборатории компании Intel в Питсбурге Тодда Маури ведёт разработку одного из самых интересных направлений в области модульного роботостроения.
Стоя в одном ряду с другими проектами создания модульных роботов, замыслы группы исследователей из Университета Карнеги–Меллон выделяются своим наиболее революционным подходом и оригинальной идеологией. Речь здесь идёт не просто о сборке специализированного робота из простейших типовых модулей, но о появлении уникального «интеллектуального» материала, способного воспроизводить осязаемые и даже движущиеся трёхмерные образы практически любых твёрдых объектов. Такой материал открывает дорогу к новому типу электронной коммуникации, который позволит подключать к восприятию передаваемых по цифровым сетям образов ещё одно чувство – осязание. Человек сможет взаимодействовать с этими образами как с предметами материального мира и даже как с живыми существами.
Волшебный песок, о котором шла речь в начале этой статьи, станет, по мысли разработчиков, не чем иным, как массой роботов-модулей субмиллиметровых размеров. Каждый из этих модулей будет, однако, пригоден к выполнению нескольких важных функций. Он станет одновременно движителем, приёмником-передатчиком цифровых данных, проводником электропитания и сенсором. В идеале для создания максимально реалистических образов воспроизводимых объектов поверхность модуля покроют микроскопическими светодиодами, которые исполнят роль светящихся пикселей, в своей совокупности пригодных для получения цветовых текстур.
Название для материала, состоящего из модульных роботов, и для всего проекта по-английски звучит как Сlaytronics, от английских 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? Даже сами отцы-основатели признают: до передачи на расстоянии движущихся трёхмерных образов ещё очень и очень далеко. Пока ведутся исследования в области базовой конструкции катомов, способов и алгоритмов их взаимодействия, для чего применяются макромодели, работающие 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 пока далеко, да и число катомов в сборках исчисляется единицами.
При этом один из ключевых терминов научных публикаций группы Сета Голдстайна – слово «масштабируемость» (scalability). Имеется в виду, что разрабатываемые сегодня конструкции катомов и технологии их взаимодействия в сборке позволят в будущем легко и безболезненно изменить масштаб всей модульной системы при сохранении её управляемости и работоспособности. Катомы примут субмиллиметровые размеры, число модулей в сборке возрастёт до тысяч и миллионов, а сама система будет спроецирована из плоскости в трёхмерное пространство.
Пузырящиеся роботы
Интерес к конструкции робота, который будет едва различим невооружённым глазом, понятен, и всё же Сет Голдстайн и его коллеги не устают повторять: «железо» – ещё не самое сложное. Куда более серьёзный вызов – это программные алгоритмы как управления системой в целом, так и взаимодействия между отдельными катомами. Одна из важнейших проблем модульного роботостроения вообще и проекта Claytronics в частности – управление большим множеством модулей, каждый из которых обладает низкой энергооснащённостью и невысоким вычислительным потенциалом. Традиционный метод создания алгоритмов движения для множества модулей предполагает описание пространства состояний всей системы, то есть всей совокупности комбинаций, в которых могут находиться передвигающиеся модули. Естественно, пространство состояний находится в линейной зависимости как от числа задействованных модулей, так и от количества степеней свободы отдельного мини-робота. Если речь идёт о тысячах, а то и миллионах катомов, то разработка алгоритма управления их движением, построенного по традиционной методике, скорее всего, заведёт в тупик. Эффективным способом уменьшить пространство состояний может стать ограничение движения отдельных модулей, сведение их к своего рода динамическим примитивам под управлением относительно несложного алгоритма взаимодействия.
Именно этим путем пошли участники проекта Claytronics, положив в основу построения форм принцип движущихся пустот, или «дырок». Наглядную иллюстрацию этого принципа мы получим, наблюдая за кипящей вязкой массой – например, расплавленным сыром. Пузырьки воздуха, поднимающиеся к поверхности, поначалу образуют на ней выпуклости, а затем, лопаясь, на какое-то время оставляют ямки, вогнутости. Если бы на этот процесс можно было воздействовать, в нужный момент фиксируя работу пузырьков то на «выпуклой», то на «вогнутой» стадии, мы получили бы инструмент придания этой поверхности нужной формы.
Роль «пузырьков» в массе катомов будет выполнять «дырка», которая в научных публикациях группы Сета Голдстайна определяется как «квант отрицательного объёма». В двухмерной модели «дырка» представляет собой пустоту в форме шестигранника, занимающую объём одного центрального катома и шести окружающих его «соседей». По периметру пустоты выстраиваются 12 катомов, которые обозначаются термином «пастухи» (shepherds). Для передвижения «дырки» в массе катомов модулям-»пастухам» достаточно хранить в своей памяти два параметра: наличие «дырки», которую они окружают, и одно из случайно назначенных направлений движения, общее число которых равно шести – по количеству углов шестигранника. Движение начинается с того, что катомы «в авангарде» начинают смещаться к тыльной стороне «дырки». Затем перестраиваются и другие модули «пастушьей» группы, и в итоге пустота смещается на один шаг вперёд, частично обновив состав своих «пастухов». Есть два важных условия: во-первых, в процессе движения «дырка» не должна разрушать «пастушью» группу другой «дырки», и во-вторых, она не может совершать движения, которые приведут к потере части собственной «пастушьей» группы. Последнее случится, если «дырка» разорвёт границу между массой катомов и окружающим пространством. Если соблюсти оба эти условия невозможно, выбирается другое направление движения.
В итоге получается нечто вроде хаотичного движения молекул в идеальном газе. Перемещаясь по случайно выбранным направлениям, «дырки» сталкиваются друг с другом, отталкиваются от границы массы катомов, в которой они заключены, не разрушая эту границу.
Возникает законный вопрос: если «дырки» движутся хаотично и не нарушают границы массы катомов, то каким образом они придают сборке нужную форму? Дело в том, что всё описанное в предыдущих двух абзацах правильно лишь для «состояния равновесия». Вывести дырки из равновесия, предписав им иной modus operandi, может попадание в особую зону преобразования. Всё поле координат, в котором действуют катомы, поделено на равновеликие треугольные зоны, получившие названия «три-области» (tri-regions), – их координаты сообщаются каждому из работающих модулей. На то же поле координат нанесена геометрическая форма объекта, который в итоге должен быть воспроизведён с помощью модулей. «Три-области», через которые проходит контур будущего объекта, становятся активными. Попадая в них, катомы начинают вести себя в соответствии с двумя типами заданий – «рост» или «стирание», что соответствует созданию выпуклостей или вогнутостей.
В «три-области», запрограммированной на рост, катомы наращивают выпуклость над существующим краем массы, формируя новую «дырку». Напротив, в «три-области», запрограммированной на «стирание», попавшая туда «дырка» подходит к краю массы и размыкается, оставляя вогнутость. Постепенно выпуклости и вогнутости изменяют границу массы, совмещая её с заданным контуром.
Такой тип управления модульными системами получил наименование «стохастической реконфигурации». В отличие от систем «детерминистской реконфигурации», в которых положение каждого модуля в любой момент времени точно задано, здесь перемещения мини-роботов оцениваются и управляются статистически, а положение конкретного модуля не имеет значения. Именно стохастический метод признан сегодня наиболее перспективным для модульных систем с большим количеством элементов субмиллиметрового размера. Фигурально выражаясь, научиться работать с пузырьками кипящего сыра куда легче, чем с отдельными составляющими массу молекулами.
Отсечь все лишнее и... к новым горизонтам
Появление полноценной «электронной глины» – то есть массы катомов, которая по команде компьютера будет формировать движущиеся трёхмерные образы, окрашенные в естественные цвета и даже передающие свойства поверхностей оригинала, – отцы-основатели проекта Claytronics прогнозируют на неопределённое будущее. Более точно, хотя и с известными оговорками, определяется время, когда мы сможем увидеть трёхмерные сборки из большого числа субмиллиметровых модулей. Это должно случиться через 5–10 лет. Пока же исследователи работают с макромоделями, а также с программой-симулятором, с помощью которой отрабатываются алгоритмы взаимодействия катомов. В течение ближайших двух лет планируется переход от двухмерных катомов к трёхмерным: несколько модулей, исходно расположенных на плоскости, смогут самостоятельно собраться в пространственную форму – например, в пирамидку.
Значит ли это, что до появления полнофункционального катома от работы группы Сета Голдстайна не стоит ожидать практических результатов? Одно из устройств, которое может появиться «на полпути», разработчики назвали «3D-факсом». В нём катомы будут уметь многое, кроме одного – им не потребуется передвигаться друг относительно друга. Общий принцип работы этого устройства таков. Предмет, трёхмерную твёрдую копию которого нужно передать на расстоянии, поместят в ёмкость, где она будет полностью засыпана катомами. Облегая поверхность предмета, модули определят свое местоположение друг относительно друга и, таким образом, сосканируют параметры поверхности объекта, а затем передадут их компьютеру. На принимающей стороне другой компьютер сообщит полученные координаты подключённой к нему ёмкости с электронными песчинками. Внутри заданного контура катомы прилипнут друг к другу под действием силы магнитного или электростатического притяжения, незадействованная же часть массы останется по-прежнему сыпучей. Теперь достаточно, по выражению Огюста Родена, «отсечь всё лишнее» – или, точнее, стряхнуть песок с готовой формы.
Загрузка...