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.
Механика без механизмов
Принцип масштабируемости ставит перед исследователями ряд нетривиальных задач. Вот одна из них. Робот в обычном понимании этого слова — электронно-механическое устройство. Помимо центрального процессора, контроллеров, памяти, сенсоров он включает в себя сложную систему исполнительных механизмов — шаговые электродвигатели, гидравлические приводы, руки-манипуляторы, захваты, колеса, гусеницы и так далее. Перенесение всей этой механики на субмиллиметровый уровень практически нереально. Выход может быть найден в конструировании таких роботизированных модулей, которые смогут двигаться относительно друг друга, не имея движущихся частей. Для этого авторы проекта «Claytronics» предполагают использовать силы дистанционного воздействия. Например, силу магнитного притяжения/отталкивания.
Планарные катомы, с которыми работают сегодня в лаборатории, имеют «на борту» набор из 24 электромагнитов. Они расположены по периметру окружности цилиндра на двух уровнях — то есть, два круга по 12 магнитов. Верхние и нижние магниты расположены друг относительно друга в шахматном порядке. Разнесение на два уровня понадобилось для того, чтобы избежать интерференции магнитных полей. Полярностью магнитов управляет электроника — каждый из катомов представляет собой компьютер с центральным процессором, приемно-передающим устройством и набором контроллеров. Если магниты в соприкасающихся сегментах отталкиваются, в то время как магниты в соседних противостоящих сегментах наоборот создают притяжение, возникает крутящий момент и катомы начинают вращаться друг относительно друга. Фактически речь идет о линейном электродвигателе, в котором роль статора и ротора выполняют отдельные модули.
Впрочем, вращение соседних катомов в противоположных направлениях может поменять ориентацию, но не положение модулей в пространстве. Для передвижения внутри сборки нужен несколько более сложный механизм, основанный на том же принципе. Чтобы при возникновении крутящего момента один из катомов поменял положение, а другой остался на месте, потребуется сборка из четырех модулей. Два из них будут выполнять функции «держателей». Образуя треугольную конструкцию с третьим катомом (он именуется «шарниром») они удерживают его от вращения вокруг своей оси, вызывая в соприкасающихся с ним сегментах силу притяжения. Четвертый катом — «движитель» - совершает перемещение относительно статичного «шарнира» благодаря созданному электромагнитами крутящему моменту.
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.
Только самое необходимое!
Помимо «масштабируемости» другим важнейшим понятием является «аксиома сборки» (ensemble axiom).
Аксиомой сборки называется принцип, согласно которому катом должен быть наделен только теми функциями, которые позволяли бы ему эффективно работать во взаимодействии с другими катомами. Исследовательская группа Сета Голдстайна и Теда Моури видит перед собой задачу предельного упрощения конструкции модуля при максимальном использовании ее возможностей.
Как и любой робот, катом нуждается в энергии. Вопрос о том, как организовать питание модуля, решается участниками проекта «Claytronics» в духе аксиомы сборки: отдельный модуль не должен долгое время хранить в себе значительный запас энергии и не будет нуждаться в предварительной подзарядке. Гораздо более правильный путь — научиться передавать и распределять энергию внутри массы катомов.
Выяснилось, что те же самые электромагниты, которые используются в качестве движителя для катомов, способны выступать и в роли приемников-передатчиков энергии путем электромагнитной индукции. Управляющий электромагнитом контроллер, который построен на полевых транзисторах, работает в данном случае как импульсный источник питания по схеме полного мостового выпрямителя. Он позволяет генерировать достаточно сильное переменное магнитное поле, индуцируя ток в обмотке магнита, находящегося в прилегающем сегменте соседнего катома и «накачивая» модуль энергией.
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.