Позабыты хлопоты, остановлен бег…
Роботы уже давно перестали быть мечтой фантастов и перешли с экранов кинотеатров в повседневную жизнь. Уборкой занимаются роботы-пылесосы, заказы доставляют роботы-курьеры, а чат-боты и языковые модели помогают нам писать курсовые и рисовать картинки с котиками 🙂 Однако это далеко не всё, на что способны механизированные помощники. В статье рассказываем, какие бывают роботы и для решения каких задач их используют.
Что такое робот
Многие, слыша слово «робот», представляют разумную машину, похожую на человека. На самом деле большинство роботов совершенно не похожи на людей. Тело человека плохо справляется со многими задачами. Например, мы очень медленно передвигаемся, не умеем летать и плохо переносим перепады температуры. Поэтому инженеры проектируют корпусы роботов так, чтобы они справлялись с задачами, которые неподвластны человеку или отнимают у него много времени.
История развития роботов
Первые автоматизированные устройства появились ещё в Древней Греции. Греки придумали механическую женщину, которая сама наливала вино, если ей в руку дать стакан. Механизм был основан на принципе рычага: вес стакана наклонял кувшин, и вино вытекало.
Можно сказать, что это один из первых механических роботов.
Античный автоматический аппарат для продажи вина
Фото: Herakleidon Museum
В Средние века эксперименты продолжились. Изобретатели по всей Европе создавали движущиеся статуи людей и животных. Среди этих изобретателей был итальянский учёный Леонардо да Винчи. Например, он сконструировал механического рыцаря, который мог двигаться, приседать и самостоятельно приподнимать забрало доспехов.
Модель робота Леонардо да Винчи
Фото: Erik Möller / Wikimedia Commons
Разработки древних греков и Леонардо да Винчи сложно назвать полноценными роботами. Эти устройства больше похожи на механических кукол, которые приводились в движение сложным механизмом. Набор их функций ограничен, и они не могут получать данные из окружения для принятия решений.
Первые роботы, похожие на современные устройства, появились только в XX веке. В 1948 году американский кибернетик и нейрофизиолог Уильям Грей Уолтер сконструировал роботизированных черепах на аналоговых компонентах. Эти роботы могли самостоятельно передвигаться, реагируя на свет.
Аналоговый робот-черепаха Уильяма Грея Уолтера
Кадр: Science Channel / YouTube
Устройства Грея называют аналоговыми потому, что в их конструкции используются аналоговые компоненты — фоторезисторы, конденсаторы и транзисторы. В современных роботах используют цифровые сигналы и микроконтроллеры.
В одном из экспериментов учёный поставил роботизированную черепаху напротив зеркала, и она начала дрожать. Это было реакцией на отражаемый свет, который датчики «увидели» в зеркале. Со стороны казалось, что робот просто рад видеть себя.
В 1978 году американский инженер Виктор Шейнман из компании Unimation представил первого цифрового робота. Им стал промышленный робот-манипулятор PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Его использовали на производстве, например, для подъёма горячих металлических деталей с литейной машины.
Робот PUMA Джорджа Девола в лаборатории NASA
Фото: NASA / Wikimedia Commons
Первые же человекоподобные роботы появились в Японии в 1970-х годах. Тогда инженеры Университета Васэда разработали WABOT-1 — антропоморфного робота, который мог передвигаться на двух ногах, переносить предметы, разговаривать на японском языке и измерять расстояние до объектов вокруг. По оценкам инженеров, интеллект устройства соответствовал уровню развития полуторагодовалого ребёнка.
Спустя 10 лет разработчики представили улучшенную версию робота — WABOT-2. Он уже мог читать музыкальные партии с листа и проигрывать их на фортепиано. Также робот мог аккомпанировать певцу, анализируя звуки вокруг себя.
Первые человекоподобные роботы WABOT-1 и WABOT-2
Изображение: Waseda University / Ichiro Kato. Development of Waseda Robot, 1985
Виды роботов
Посмотрим, какие бывают роботы, как они устроены и для выполнения каких задач их применяют.
Бытовые
Самые популярные и доступные роботы — бытовые. Их используют, чтобы освободить время от рутинных домашних дел, например от уборки. Чаще всего в квартирах встречается робот-пылесос. Хотя устройство и относительно дешёвое, но сконструировано не без сложных технологий. Например, роботы-пылесосы используют систему из нескольких лидаров для построения карты помещения и подключаются к умному дому с помощью Wi-Fi.
Иногда встречаются роботы для мытья окон: их используют для поддержания чистоты фасадов небоскрёбов. В США популярны роботы-газонокосилки. Они похожи на роботизированные пылесосы, но с ножами вместо щёток.
Также компании разрабатывают более сложных бытовых роботов. Например, стартап Moley работает над роботом-поваром с двумя руками, похожими на человеческие. С их помощью он может брать посуду и ингредиенты, а коллекция рецептов хранится в памяти устройства. Такие роботы пока стоят несколько сотен тысяч долларов, поэтому позволить себе их могут только дорогие рестораны и отели.
Робот-повар от компании Moley
Кадр: Gadgets4G — Gadgets For Geeks / YouTube
Промышленные
Крупное производство сложно представить без роботов. На заводах они перевозят тяжести, выполняют опасную работу и помогают выполнять задачи, в которых важна точность, — например, сваривать элементы кузова автомобиля. К тому же они могут трудиться круглосуточно без потери производительности, поэтому идеально подходят для работы на конвейере.
Разработкой промышленных роботов занимается японская компания Fanuc. Её используют Apple, BMW, Boeing, Coca-Cola, Volkswagen, Toyota и другие международные производители.
Роборука Fanuc на производстве напитков
Кадр: FANUC Europe / YouTube
В ассортименте Fanuc есть программируемые манипуляторы, роботы-сварщики, роботы-маляры, роботизированные системы ЧПУ и универсальные роборуки с насадками для различных задач. Главное преимущество устройства Fanuc в том, что они работают быстрее и точнее человека.
Исследовательские
Исследовательские роботы помогают учёным попасть в места, в которых человек не может находиться из-за агрессивной окружающей среды. Их применяют в космосе или на большой глубине.
Главное преимущество исследовательских роботов — в обилии датчиков для сбора всевозможных показателей. Для учёных важно как можно лучше изучить место и получить наиболее полную картину происходящего вокруг. Также таких роботов адаптируют к экстремальным условиям эксплуатации — например, делают устойчивыми к сверхвысоким и сверхнизким температурам.
Один из известных исследовательских роботов ― марсоход Curiosity. Он представляет собой целую химическую лабораторию на колёсах. За питание устройства отвечает радиоизотопный термоэлектрический генератор, который производит электроэнергию от естественного распада изотопа плутония-238. Но у такого устройства есть существенный минус — низкая скорость передвижения. Максимальная скорость на ровной поверхности составляет 144 метра в час.
Марсоход Curiosity на испытательном полигоне (справа)
Фото: NASA / Wikimedia Commons
В 2011 году в рамках миссии NASA «Марсианская научная лаборатория» Curiosity отправился на Марс. В задачи робота входило изучение поверхности планеты, химический анализ грунта, сбор данных о климате и поиск следов возможной жизни. Изначально предполагалось, что Curiosity проработает на Марсе ровно один марсианский год (686 земных суток), но в 2012 году миссию продлили на неопределённый срок. Вероятно, марсоход будет работать до тех пор, пока не сломается или не израсходует запас радиоактивного топлива.
Роботакси
Роботакси — одно из перспективных направлений в робототехнике. Множество компаний работает над беспилотными автомобилями, которые смогут передвигаться по дорогам общего пользования и перевозить пассажиров, соблюдая ПДД.
Американская компания Waymo разрабатывает системы беспилотного управления, которые можно устанавливать на обычные автомобили. Такой способ подходит таксопаркам, в которых уже есть сотни машин. Переход на беспилотное управление обойдётся дешевле, чем покупка автомобилей, созданных специально для задач роботакси.
Автомобиль Jaguar I-Pace с системой беспилотного управления от Waymo
Изображение: Dllu / Wikimedia Commons
Осенью 2024 года Tesla представила Cybercab — собственную версию беспилотного такси. В машине изначально нет руля и элементов управления. На их месте расположен большой сенсорный экран, с помощью которого пользователи могут смотреть фильмы, работать или созваниваться с друзьями, пока находятся в дороге. Машиной управляет система искусственного интеллекта.
Беспилотное такси Tesla Cybercab
Изображение: Tesla
Военные
Военных роботов используют во время проведения особо опасных боевых операций. Они могут брать на себя роль разведчиков, санитаров, сапёров и транспортировщиков. При этом для каждого типа робота важны свои характеристики. Например, дрон-разведчик должен уметь скрываться от радаров и передавать информацию на большие расстояния, а робот-санитар — погружать и перевозить раненых солдат.
Один из известных военных роботов — шеститонный робот-сапёр «Уран-6». Он расчищает минные поля, чтобы сапёрам не приходилось рисковать жизнями. «Уран-6» уже участвовал в реальных боевых действиях и продаётся на международном рынке вооружения.
Российский робот-сапёр «Уран-6» на выставке «Армия-2020»
Фото: Kirill Borisenko / Wikimedia Commons
Медицинские
Медицинских роботов применяют для оперирования пациентов и проведения реабилитации. Их главное преимущество заключается в высокой точности работы, которой часто не хватает людям.
Один из наиболее известных медицинских роботов ― робот-хирург Da Vinci американской компании Intuitive Surgical. Его используют для проведения сложных операций, при которых на выживаемость пациента влияет каждый миллиметр надреза.
Робот-хирург Da Vinci
Фото: Cmglee / Wikimedia Commons
У Da Vinci есть четыре руки, камера, микроскоп, 3D-сканер и место для хирурга-человека, с которого тот может управлять всем оборудованием. Робот не делает операции самостоятельно, для этого ему нужен опытный оператор.
Прототип Da Vinci разработали в 1980-х годах по просьбе армии США, а первая версия для гражданских клиник появилась в 2000 году. Во всём мире установлено более 3000 роботов Da Vinci, есть они и в России. Единственный минус такого робота — высокая цена. Робот-хирург стоит более 2 миллионов долларов, а ещё он требует постоянного обслуживания.
Андроиды
Человекоподобные роботы (андроиды) пока находятся на стадии разработки. В будущем они смогут помогать с бытовыми задачами и работать на опасном производстве. А ещё с ними можно будет просто пообщаться. За генерацию ответов будет отвечать языковая модель с системой синтезирования речи.
Активнее всего над созданием человекоподобных роботов трудится компания Tesla. Её андроид Optimus весит 73 килограмма и может передвигаться со скоростью до 4 километров в час. Грузоподъёмность робота составляет 20 килограмм.
Человекоподобный робот Tesla Optimus
Кадр: Tesla / YouTube
Генеральный директор Tesla Илон Маск считает, что через 5–10 лет роботы Optimus будут стоить как среднебюджетные автомобили и многие семьи смогут их себе позволить. Андроиды будут выполнять работу по дому, приводить в порядок участок и переносить тяжести.
Курьеры
Роботы-курьеры — роботы, предназначенные для доставки продуктов из магазинов и готовой еды из ресторанов без участия человека. Устройство получает заказ, забирает его в заведении и привозит клиенту. Роботы-курьеры выглядят как небольшие пластиковые коробки на колёсах. За навигацию отвечает GPS, а за обнаружение препятствий — система из нескольких камер и лидаров.
Разработкой таких роботов занимаются десятки компаний по всему миру, например эстонская Starship Technologie, американская Kiwi Campus и китайская Alibaba Group. В России устройства разрабатывает «Яндекс».
Робот-доставщик «Яндекса» третьего поколения
Фото: Shvetha / Wikimedia Commons
Развлекательные
Роботов используют для развлечения и в шоу-программах. Например, компания Walt Disney Imagineering разрабатывает аниматроников для тематических парков. Они выглядят как герои мультфильмов и нужны для декорирования. Также аниматроники могут общаться с гостями, погружая их в атмосферу парка.
Аниматроник A-1000 в образе героя «Звёздных войн»
Изображение: TPMvids / YouTube
Чат-боты
Чат-боты и нейросети тоже относятся к нематериальным роботам. У них нет физического тела, но они могут анализировать большие объёмы данных, искать в них закономерности и аномалии, принимать решения на основе сделанных выводов.
Чаще всего чат-ботов используют для общения с клиентами, например, через службу поддержки. Компании заметили, что каждый день тысячи пользователей звонят, чтобы получить ответы на однотипные вопросы, поэтому человека в колл-центре можно заменить чат-ботом. Он сможет ответить на типовые вопросы, а люди будут подключаться к решению только нестандартных ситуаций.
Как устроены роботы
Даже недорогой робот-пылесос — сложное техническое устройство, в котором воедино собрано множество технологий. Всё это нужно роботу для того, чтобы уметь выполнять задачи без участия человека. Рассмотрим основные системы, которые используются в современных роботах.
Механические системы
К механическим системам относится «тело» робота и всё, что приводит его в движение: двигатели, приводы, гидравлические поршни. Выбор форм-фактора корпуса робота зависит от поставленных задач. Например, если робот должен будет плавать под водой, то лучше всего его сделать в виде батискафа.
Электронные системы
Механической частью робота управляют запрограммированные электронные системы, например Arduino, Raspberry Pi или платы на микроконтроллерах, разработанные с нуля. Они получают сигналы от датчиков, анализируют их и передают команды моторам.
Датчики
Датчики — органы чувств робота. Благодаря им бездушная машина может получать информацию об окружающем мире. Например, с помощью камеры робот анализирует изображение, а лидары помогают распознавать препятствия.
Софт
Без программного кода даже самый навороченный робот будет просто грудой металла и пластика. Поэтому инженеры разработали ROS (Robot Operating System) — специальную надстройку для Linux, которая управляет роботом. ROS связывает между собой механические компоненты, датчики и микроконтроллеры.
Код для ROS обычно пишут на C++ и Python. C++ нужен для низкоуровневых операций с железом, например для управления двигателями. Python используют для анализа данных, которые робот получает с датчиков.
Перспективы робототехники
Сегодня роботы используют в разных сферах: от бытовых задач до изучения космоса. Они помогают людям выполнять сложные и опасные задачи, автоматизировать процессы и повышать эффективность работы.
Однако, несмотря на все достижения, робототехника всё ещё находится на начальном этапе развития. Если в промышленности роботы достигли больших успехов, то человекоподобные роботы всё ещё примитивные. Одна из главных перспектив развития робототехники ― создание машин, которые смогут самостоятельно принимать решения в нестандартных ситуациях.
Также важно делать роботов более дешёвыми и доступными. Сегодня многие роботы стоят очень дорого, что ограничивает их использование. Однако с развитием технологий и увеличением конкуренции на рынке цены на роботов могут значительно снизиться.
Можно ли собрать робота самому
Создание роботов — очень дорогой и сложный процесс. В нём участвуют инженеры, научные сотрудники, программисты, дизайнеры, тестировщики, аналитики, специалисты по информационной безопасности и ML-инженеры. Также в современных роботах используются дорогие датчики и электронные компоненты, многие из которых создают специально для робота.
Например, разработка марсохода Curiosity обошлась NASA в 1,8 миллиарда долларов. Сумма внушительная, но ещё 500 миллионов долларов понадобилось, чтобы доставить робота на Марс. Содержание Curiosity ежегодно обходится американскому космическому агентству в 60 миллионов долларов. Эти деньги идут на зарплаты сотрудникам, которые следят за роботом и дистанционно помогают ему решать нештатные ситуации.
Если вы хотите спроектировать и собрать космического робота, то придётся найти команду опытных инженеров, щедрых спонсоров и заручиться поддержкой правительства. Проект будет очень дорогим и долгим. Но есть и хорошие новости: небольших роботов для обучения или выполнения бытовых задач можно собрать дома самому.
На маркетплейсах есть много бюджетных микроконтроллеров и электронных компонентов, которые могут стать основой для вашего робота. Корпус робота можно будет напечатать на 3D-принтере или купить готовый. Такого робота можно научить преодолевать препятствия, искать выход из лабиринта или даже подавать тапочки.
Лидар (LiDAR, light detection and ranging) — технология, которая позволяет измерять расстояние до объектов и строить трёхмерные карты окружения с помощью лазеров.
Аниматроник — робот, имитирующий движения живых существ в тематических парках и фильмах.