Czy wiesz, że:
Obce planety z wodorową atmosferą, dno oceanów, wnętrze ludzkiego organizmu - wszędzie tam człowiek albo nie może dotrzeć, albo działa nieporadnie. Co innego robot. Najlepiej - niekonwencjonalny.
Co to jest robot? Większość z nas na takie hasło przywołuje w umyśle obraz topornej maszyny przemysłowej z mnóstwem wysięgników i kabelków, beznamiętnie spajającej części samochodów sunących wzdłuż linii montażowej. Z drugiej strony liczne filmy science fiction propagują obraz robota jako inteligentnej, z reguły humanoidalnej istoty realizującej brawurowe zadania lepiej od swych twórców. Gdzieś pośrodku przewija się wizja zabawki - mechanicznego kota lub psa mniej lub bardziej udanie naśladującego zachowania pierwowzoru.
 |
 |
Zwolenników takich stereotypów spieszymy rozczarować - takie wyobrażenia nie mają wiele wspólnego z rzeczywistością. Jakie zatem naprawdę są roboty? Te istniejące już dziś i te, które dopiero rodzą się w umysłach konstruktorów, speców od mechaniki i bioinżynierii. Odpowiedź nie jest prosta. Wszystko zależy bowiem od tego, do czego ma służyć mechaniczny zastępca człowieka. No i od tego, gdzie powstaje.
Największym producentem maszyn przypominających wyglądem człowieka jest Japonia. Dlaczego właśnie firmy tego kraju zdecydowały się zainwestować miliony dolarów w tworzenie humanoidów? Bo dla przeciętnego Japończyka robot to już dziś rzecz zupełnie naturalna. Dwa lata temu w Kraju Kwitnącej Wiśni znajdowało się 44% wszystkich robotów przemysłowych świata. Technologia stała się na tyle zaawansowana, a nastawienie społeczeństwa na tyle przyjazne, że rząd japoński zdecydował się wspierać także rozwój robotów człekopodobnych. Na tym rynku Japonia byłaby niezagrożonym światowym liderem. Specjaliści tego kraju chcą konstruować mechanicznych ludzi przede wszystkim po to, by przejęli ich codzienne obowiązki, zarówno domowe, jak i związane z pracą zawodową.
To bardzo dalekowzroczna polityka. Trzeba przecież zapewnić sobie odpowiednią liczbę rąk do pracy, które utrzymają starzejące się społeczeństwo. Zastępcy poszukiwani będą zwłaszcza w zawodach niebezpiecznych (np. na budowach, podczas akcji ratunkowych) i przy wykonywaniu żmudnych obowiązków w szpitalach czy domach opieki. Pierwsze efekty już widać. W ramach rządowego projektu Humanoid Robotics Project o wartości 38 mln dol. firma Kawada Industries przygotowuje pierwsze roboty, które potrafią poruszać się po nierównym terenie, a po upadku same wstają. Japan Robot Association szacuje, że do 2010 roku wartość tego rynku wzrośnie do 23 mld dol., a jego główną siłą napędową staną się właśnie człekopodobne maszyny biegłe np. w sprzątaniu czy prasowaniu. Zdaniem specjalistów takie humanoidy pojawią się na rynku masowym jeszcze przed 2025 rokiem. Zapewne dlatego robot zabawka skonstruowany przez inżynierów z Toyoty potrafi grać na trąbce.
Jak dotychczas najbardziej zaawansowany autonomiczny humanoid wykorzystujący dwunożny sposób przemieszczania się to wyprodukowany przez Hondę ASIMO. Nieźle sprawuje się, chodząc lub stojąc, a gdy ktoś go popchnie, robi krok w przód lub od tyłu, by zachować równowagę. Potrafi chodzić po pochylni i schodach, a nawet biegać! Co prawda tylko z prędkością 3 km/h, ale to i tak duże osiągnięcie. Bieg to przecież nie to samo co najszybszy nawet chód. Robot musi odbić się od podłoża, zachować równowagę w chwili, gdy obie nogi znajdują się w powietrzu, po czym zamortyzować uderzenie podczas lądowania. Sekwencja kroków ASIMO podczas biegu trwa 0,36 s, a obie nogi tracą kontakt z ziemią na 0,05 s - to niemal dokładne skopiowanie tego, co dzieje się podczas biegu człowieka. Maszyna sama podejmuje decyzje dotyczące toru ruchu, porównując otoczenie z zapamiętaną mapą i omijając przeszkody. ASIMO potrafi też podawać i odbierać przedmioty oraz uścisnąć komuś rękę, umie śledzić cele i reaguje na polecenia głosowe. Niestety, na razie jego bateria pozwala zaledwie na godzinę pracy.
Największym rywalem ASIMO jest QRIO koncernu Sony. Podobnie jak rywal QRIO wykorzystuje "chód dynamiczny", a więc taki, w którym środek ciężkości w kontrolowany sposób przesuwa się poza obszar stabilności. Cztery sensory w każdej z nóg umożliwiają dopasowanie się do nierówności rzędu 1 cm. Potrafi poruszać się po pochylni, posiada mechanizm utrzymywania równowagi w przypadku popchnięcia oraz optyczną detekcję przeszkód. Kiedy QRIO oceni, że w wyniku kolejnej akcji mógłby stracić równowagę, pokonuje przeszkodę na czworakach. Do tego rozpoznaje twarze i głosy, a także rozumie niektóre słowa, śpiewa i tańczy (w tym zespołowo), gra w piłkę nożną i używa języka ciała do wyrażenia swoich emocji. Nieźle jak na malucha - ma bowiem zaledwie 58 cm wzrostu.
Jeszcze mniejszy od niego, a zaskakujący innowacyjnością jest niewielki Morph 3, efekt współpracy Kitano Symbiotic Systems z Chiba Institute of Technology. Mierzy on zaledwie 38 cm i waży 2,4 kg. Jednak dzięki 138 czujnikom, 30 mikrosilnikom elektrycznym i 14 procesorom robot może wykonywać nawet tak złożone sekwencje ruchowe jak salta w tył. Powie ktoś: ekstrawagancja. Ale dzięki rozwiniętej przy okazji podobnych ekstrawagancji technologii Japończycy rozwiązali wiele praktycznych problemów. Na przykład Uniwersytet w Tsukubie we współpracy z firmą Cyberdyne oferuje Hybrid Assistive Limb (HAL), egzoszkielet przeznaczony do wspomagania ruchu ludzi starszych. Schorowany człowiek w takim kostiumie jest w stanie samodzielnie przemieszczać się niewielkim nakładem sił, a nawet wykonywać prace domowe, nie narażając się na częste upadki.
Wyścig humanoidów
Próby konstruowania humanoidalnych maszyn o niekonwencjonalnych możliwościach podejmowane są także poza Japonią. W Korea Institute of Science and Technology powstaje robot (1,50 m, 67 kg), który prócz tego, że chodzi i umie wykrywać ruch w otoczeniu, reaguje na głos i odpowiada na zadane pytania. Może się nawet uczyć. Dowolny egzemplarz w każdej chwili może połączyć się z serwerem-matką i uzyskać stamtąd rozwiązanie problemu, z którym spotkał się po raz pierwszy. Z kolei niemiecka firma Festo testuje robota o nazwie Tron X. Jest on jak dotychczas rekordzistą, jeśli chodzi o możliwość wykonywania skomplikowanych ruchów - ponad 200 siłowników zapewnia mu ruchliwość zbliżoną do ludzkiej.
Na uwagę zasługuje niewątpliwie Dr Robot z kanadyjskiej firmy o tej samej nazwie. Głównie dlatego, że jako jeden z pierwszych ma szanse trafić do masowej sprzedaży (choć będzie przeznaczony raczej dla zamożnych klientów). Najnowsza wersja, HR 6 (52 cm, 4,8 kg), została wyposażona w 80 czujników - w tym dotykowe, przyspieszenia i temperatury - i potrafi spacerować, tańczyć, rozpoznawać twarze i głosy, a nawet odczytywać na głos e-maile przychodzące do gospodarza. Można go też kontrolować przez internet. Operator, siedząc przed komputerem, widzi i słyszy wówczas wszystko to, co dociera do maszyny. Zabawka czy... jaskółka rewolucji na rynku?
Bez nóg, bez ducha, za to gazem chucha
Najmniej problemów z przełamywaniem stereotypowych wyobrażeń o robotach ma NASA. Różnorodność zadań i nieprzyjazne warunki, z jakimi muszą radzić sobie automaty poza Ziemią, sprzyjają oryginalnym pomysłom. Taki jest np. Robonauta - mechaniczne "przedłużenie" ludzkiego ciała. Stereoskopowe kamery oraz ręce ze 150 sensorami i motoryką zbliżoną do ludzkich dłoni sprawiają, że operujący nim człowiek odbiera takie doznania, jakby osobiście przebywał w miejscu pracy maszyny. Wrażenia nie zaciera fakt, że zamiast nóg robot ma tylko jedną kończynę działającą niczym kotwica. W chwili zagrożenia Robonauta może podjąć prace w otwartej przestrzeni kosmicznej niemal natychmiast, podczas gdy przygotowanie człowieka do wyjścia w próżnię zajmuje kilka godzin.
Inaczej konstruktorzy podeszli do Personal Satellite Assistant, który został zaprojektowany z myślą o Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Przypominający niewielką piłkę robot w warunkach mikrograwitacji unosi się swobodnie, niczym słynna kula z "Gwiezdnych wojen", która służyła Luke'owi Skywalkerowi do trenowania "mocy". Ta zbieżność jest zresztą zamierzona. Prace projektowe rozpoczęły się w 1998 roku, a działający prototyp pojawił się rok później. Robot przemieszcza się w przestrzeni dzięki zasilanym elektrycznie wentylatorom i osiąga prędkość ok. 1 m/s. Kolizjom zapobiega system sonarowy. Wewnątrz obudowy znalazło się jeszcze osiem kamer (m.in. stereo i termiczna), które pozwalają na orientację w otoczeniu, a także system wideo i audio umożliwiający wykorzystanie urządzenia do wideokonferencji oraz w charakterze osobistego organizera. Wbudowany wskaźnik laserowy daje inżynierom z Ziemi możliwość wskazywania astronautom konkretnych przedmiotów, a reflektor przydaje się przy penetrowaniu niedoświetlonych zakamarków w trakcie zdalnego monitorowania pomieszczeń. PSA potrafi także zbierać dane o stanie zdrowia załogi, składzie chemicznym powietrza, temperaturze, a nawet o potencjalnym zagrożeniu pożarowym. Poruszające się w obrębie stacji roboty mają być połączone ze sobą oraz z innymi urządzeniami komputerowymi siecią bezprzewodową. Pierwsze PSA polecą w kosmos najprawdopodobniej w 2007 roku.
Odrzutowe wentylatorki to tylko jeden z niekonwencjonalnych sposobów poruszania się, jakie NASA wypróbowuje na swoich robotach. Świadoma ograniczeń dotychczasowych konstrukcji (przypomnijmy kłopoty łazika Opportunity, który na półtora miesiąca ugrzązł w wydmie o wysokości zaledwie 30 cm) agencja wciąż szuka rozwiązań zapewniających maszynom mobilność i samodzielność. Jednym z nich jest sposób poruszania się marsjańskiego próbnika Gashopper. Gdy urządzenie kończy badania w jednym miejscu, ogrzewa pobrany wcześniej z marsjańskiej atmosfery do zbiorników dwutlenek węgla. Dzięki temu przechowywany w formie ciekłej gaz zwiększa ciśnienie i zapewnia odrzut wystarczający na pokonanie od 5 do 50 km. Wystarcza to nie tylko na nadanie początkowej prędkości, ale także na sterowanie lotem i amortyzowanie lądowania. Gashopper mógłby pokonywać przeszkody nie do przejścia dla łazików, wykonywać zdjęcia lotnicze i szybko przenosić się z miejsca na miejsce. Wyniki testów przeprowadzonych na zlecenie NASA w firmie Pioneer Astronautics potwierdzają, że skonstruowanie takiego robota jest wykonalne.
 |
 |
Macki, ssawki, gąsienice
Źródłem inspiracji dla konstruktorów wciąż pozostaje świat przyrody. Zdarza się, że powstanie jakiejś maszyny jest konsekwencją wcześniejszych badań nad konkretnym gatunkiem zwierząt. Pod koniec lat 90. XX wieku Gavin Miller podczas prac nad animacjami komputerowymi w firmach Apple i Alias analizował ruch węży. W trakcie tej pracy doszedł do wniosku, że zebrane informacje można by wykorzystać do skonstruowania robotów. Model S5 sposobem poruszania się na tyle przypominał węża, że nawet z odległości kilku metrów niejeden biolog dałby się nabrać, myśląc, że ma do czynienia z żywym gadem.
Tymczasem grupa badaczy z MIT, przyglądając się nartnikom, doszła do wniosku, że możliwe jest skonstruowanie robota biegającego po wodzie. Wykonany z aluminium Robostrider 3 nie porusza się co prawda tak wdzięcznie jak nartnik, niemniej nie tonie i potrafi przebyć 20 cm w zaledwie kilkanaście sekund. Daleko mu do osiągów biologicznych pierwowzorów (te uzyskują nawet 150 cm/s!), ważne jednak, że przed robotami została otwarta kolejna furtka.
Owady to zresztą niewyczerpana skarbnica pomysłów. W pracowniach robotyki na całym świecie stworzono wiele konstrukcji, które na ścianach i sufitach czują się równie dobrze jak muchy. Jedną z nich jest stosunkowo duży (1,8 m długości) robot NINJA-II, wyposażony w cztery kończyny z urządzeniami ssącymi. Potrafi wdrapać się na ścianę, a potem na sufit, i to z prędkością 7,5 m/s.
Pisząc o oryginalnych konstrukcjach, trudno nie wspomnieć przypominających gąsienice robotów OmniTread Serpentine (OT-8 i OT-4) opracowanych przez grupę inżynierów z Uniwersytetu w Michigan (w jej skład wchodzili też naukowcy z Politechniki Łódzkiej). Każdy OT składa się z prostopadłościennych modułów połączonych przegubami, zaś każdy moduł posiada silnik napędzający niewielkie gąsienice rozmieszczone na każdej ściance. Gąsienice pokrywają łącznie aż 80% powierzchni robota. Taka konstrukcja pozwala na pokonywanie większości przeszkód - nawet gładkich pionowych ścian półmetrowej wysokości. Robot bez trudu może też pełzać po schodach, przedzierać się przez gąszcz wysokich traw i zarośli lub pokonać prawie 70-cm rozpadlinę.
Nie wiadomo, czy Seiko Epson Corp., pracując nad miniaturowym śmigłowcem FR-II (Micro Flying Robot), inspirowała się światem zwierząt. Gdy jednak obserwujemy lot tego pojazdu, trudno się oprzeć wrażeniu, że mamy do czynienia z dużym owadem lub kolibrem. Wszystko dlatego, że ten dwuwirnikowy śmigłowiec waży wraz z układem zasilającym... niecałe 13 g! Mamy tu do czynienia z robotem w pełni autonomicznym, samodzielnie latającym według zaplanowanej trasy przesyłanej z komputera za pomocą bezprzewodowego łącza Bluetooth. Na pokładzie tego mikrostatku powietrznego znajdują się dwa 32-bitowe mikrokontrolery Epsona. Dzięki ultracienkim motorom i wirnikom o komputerowo optymalizowanym kształcie siła nośna nowej wersji robota wzrosła aż o 30% w stosunku do poprzedniego modelu. Istotnym elementem jest niewielki żyrosensor XV-3500CB (zaledwie 5,0×3,2×1,3 mm) zapewniający możliwość detekcji ruchu. Robocik wyposażony jest ponadto w kamerę, dzięki której operator przy komputerze widzi otoczenie pojazdu. Całość uzupełniają dwie diody LED pełniące funkcję świateł sygnalizacyjnych oraz źródło zasilania. Niestety, bateria polimerowo-litowa wystarcza zaledwie na trzy minuty lotu.
Samotnie w głębinach
Skoro robotom udało się opanować ląd i powietrze, przyszedł czas na morza i oceany. W Marine Science Center w North-eastern University (Boston) pod kierunkiem Josepha Ayersa opracowuje się roboty-kraby zdolne do stadnego penetrowania płycizn, czy to w celach naukowych (np. monitorowania czystości wody), czy czysto praktycznych - np. do wykrywania min lub wraków. Roboty przeznaczone do pływania zwykle przypominają ryby. Pekińscy naukowcy mogą się pochwalić w tym zakresie nie lada osiągnięciem: udało im się skonstruować pływającego, zdalnie sterowanego robota, który ma zaledwie 3 mm długości, 2 mm szerokości i 0,4 mm grubości. Naukowcy planują zmniejszenie urządzenia nawet do 0,1 mm. Maleństwo porusza się dzięki płetwom wykonanym ze stopu oddziałującego z zewnętrznym polem magnetycznym. Zmiany pola wprawiają płetwy w ruch. Im są szybsze, tym robocik płynie żwawiej. Trwają prace nad wersją wyposażoną w płetwy reagujące na różne częstotliwości pola magnetycznego. Wówczas można by sterować poszczególnymi płetwami niezależnie, uzyskując tym samym pełną kontrolę nad torem ruchu pojazdu.
W świetle tych dokonań wizja stadka sztucznych pływaków poruszających się w układzie krwionośnym człowieka i dostarczających leki w precyzyjnie wybrane miejsca organizmu nie wydaje się już tak odległa. Naukowcy przyglądają się też narządom ruchu bakterii - wiciom i rzęskom. W lipcu 2005 roku badacze z Harvard University zaprezentowali pierwszy teoretyczny model ruchu bakterii E. coli. Elementem ruchomym była sztywna spirala przymocowana do sferycznej "główki". Co prawda mowa tu tylko o teorii, ale prostota modelu sugeruje, że na jego pierwsze zastosowania praktyczne nie będziemy musieli długo czekać.
 |
 |
Jedzenia i potomka!
Żaden z opisanych przez nas robotów nie rozmnaża się ani nie potrafi samodzielnie zdobywać energii. Tymczasem to problemy równie istotne jak samodzielność i mobilność. Zamiast wysyłać na inną planetę partię robotów, można byłoby wysłać tylko jednego, który na miejscu wykona swoje kopie. W przypadku uszkodzenia mógłby się sam naprawić lub sporządzić swój klon, ratując kosztującą zwykle setki milionów dolarów misję. Z kolei zdolność pozyskiwania energii z otoczenia pozwoliłaby znacznie obniżyć koszty użytkowania i konserwacji, a w przypadku misji międzyplanetarnej dodatkowo zaoszczędzić na transporcie paliwa.
Dzięki naukowcom z Cornell University w Ithaca pokonano i tę robocią "ułomność". Skonstruowane przez nich maszyny potrafią się rozmnażać. Pojedynczy robocik składa się z czterech sześcianów o boku 10 cm. Każdy z nich jest przecięty wzdłuż jednej z przekątnych, co dzięki niewielkim silniczkom umożliwia obracanie jednej części sześcianu względem drugiej - w ten sposób uzyskano względnie dużą ruchliwość całej konstrukcji. Każdy z sześcianów łączy się z sąsiadem dzięki elektromagnesom, każdy posiada też mikroprocesor z pamięcią zawierającą algorytm reprodukcji, w gruncie rzeczy będący dla robota odpowiednikiem naszego DNA.
Replikacja jest prosta. Powielający się robot odłącza ostatni ze swoich modułów, stawiając go przed sobą. Następnie szuka wolnego modułu (oprogramowanie jest dość prymitywne, stąd luźne moduły muszą na razie stać w odpowiednich miejscach), dołącza go do siebie i transportuje na pierwszy moduł "dziecka". Teraz robot rodzic ponownie odłącza moduł i rozpoczyna poszukiwanie kolejnego. Jeśli "dziecko" jest zbyt wysokie, aby "rodzic" mógł dołączyć kolejny segment, po prostu kładzie się, umożliwiając zakończenie reprodukcji.
Naukowcy chcą teraz sprawdzić, czy ich roboty po usunięciu programu replikacji będą potrafiły spontanicznie wykształcić zdolność rozmnażania w wyniku symulujących działanie ewolucji przypadkowych zmian w ich "elektronicznym DNA". Wynik może być interesujący nie tylko dla inżynierów, ale i dla ewolucjonistów.
Tymczasem Chris Melhuish z University of the West of England w Brystolu pracuje nad robotem drapieżcą. Jego EcoBot II odżywia się... muchami. Dzięki ośmiu mikrobiologicznym ogniwom paliwowym, w których bakterie przetwarzają wielocukry zawarte w chitynowych pancerzykach owadów, robot jest w stanie wygenerować prąd, magazynowany następnie w kondensatorach. Po ich naładowaniu przemieszcza się w kierunku światła. Jedyny kłopot polega na tym, że aby wciągnąć muchy do pułapki, maszyna musi dla nich odpowiednio atrakcyjnie... śmierdzieć. W tym celu planuje się użycie substancji przygotowanej na bazie ludzkich ekskrementów. Na szczęście na razie EcoBot II nie śmierdzi - z oczywistych względów naukowcy wolą go karmić sami.
Czy samożywiące się i samoreprodukujące maszyny mogą dać początek nowej ewolucji?Świat ziemskich organizmów do dzisiaj zadziwia nas bogactwem i oryginalnością rozwiązań. Wciąż odkrywamy nowe gatunki i wciąż nie poznaliśmy sekretów tych, które znamy od lat - jak choćby wszystkim doskonale znanych nartników. Jak będzie rozwijał się świat robotów, skoro już dzisiaj muszą one stawić czoła nie tylko naturalnemu środowisku Ziemi oraz sztucznemu środowisku wytworzonemu przez człowieka, ale i warunkom panującym w próżni kosmicznej i na innych planetach? Różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych robotów i ich możliwości zaczynają oszałamiać, a przecież to zaledwie paleozoik cybernetycznej historii. Ewolucja robotów dopiero się rozpoczęła i jeśli czegoś możemy być pewni, to tego, że jej efekty z pewnością nie będą konwencjonalne.