Энциклопедия будущего
• Инструментарий – оснащение приборами и инструментами, предназначенными для выполнения каких-либо узкоспециализированных или специфических работ. Сварочный аппарат сварочного робота, если встроен в него – это его инструментарий. Пылесос, вмонтированный в робота-уборщика – это его инструментарий. Система сканирования труб для выявления трещин у труборемонтного робота определённо является частью его сенсорного обеспечения, но она же одновременно и его инструментарий. У боевых роботов инструментарием помимо прочего являются вооружение и средства защиты – боевую оснастку согласно языковым канонам не принято называть инструментом, её так и именуют – вооружением и средствами защиты, но в данном случае мы говорим о её обобщённой классификации в качестве компонента робототехнических изделий, и в этой интерпретации она именно инструментарий и ничто иное.
Манипуляторные устройства вроде рук и т.п. как правило не считаются инструментарием (за исключением случаев, когда они узкоспециализированы, то есть заточены под взаимодействие с ограниченным конкретным набором предметов), их относят к так называемому манипулярию робота и позиционируют как часть его двигательной системы (подробней о манипулярии см. ниже).
Размеры современных роботов варьируются от микроскопических в 0,1 мм до гигантских многометрового роста. Правда и столь малые их экземпляры, и столь высотные колоссы – очень специфические машины, первые в основном используются в целях шпионажа (что незаконно и уголовно наказуемо, если применяется несанкционированно или не государственными силовыми структурами), и в медицине, вторые редкий атрибут больших промышленных и аграрных производств. Но лишь отойди немного от указанных пограничных величин, сузь диапазон, сделав его от 1 см до 3 метров, и робототехнику всех входящих в него габаритов мы обнаружим во множестве без труда, потому что она давно уже рядовой элемент повседневности. И не только на предприятиях, заводах, фабриках, но и в быту – в домах людей, на улицах городов, в магазинах и офисах, в парках и зоопарках, в театрах и цирках – везде вы на неё обязательно наткнётесь. И она будут именно всех размеров. Потому что всякий размер по-своему полезен. К примеру, очень широко распространены инсект-роботы – внешне уподобленные насекомым, столь же маленькие и подвижные. Такие часто бывают биороботами (см. раздел о симбиотах), но и полноценных механических модификаций хватает. Они могут чистить пыль в труднодоступных местах, уничтожать вредителей, ухаживать за домашними растениями, служить мобильными летающими видеосенсорами, и т.д. В спросе и разнообразные мех-помощники размерами от теннисного мяча до апельсина – робот-насекомое слишком мелкая тварь, выполняет не очень большой объём работ, не везде он справится, да и раздавить всегда есть опасность, эти же всё ещё пролезут в любую щель, достаточно крепкие и юркие – оптимальный вариант для решения многих производственных и житейских задач. Следующие по величине – агрегаты, сопоставимые с кошкой или куклой. Их главное достоинство – малый вес и малый объём занимаемого пространства в сочетании с довольно серьёзной силой и способностью вмещать в себя относительно много полезных приборов. Так же они представлены множеством механоидных игрушек – собственно кукол, кошек и прочих рукотворных существ, оживлённых силой электроники и электричества. Далее по крупности идут разнообразные уборщики, мойщики, газонокосильщики, чистильщики, носильщики, и многое др. Их рост начинается сантиметров от 30, самые рослые вполне могут быть и гигантиками в метр-другой. Квинтэссенция же габаритов всей встречающейся в быту робототехники – это безусловно габариты человека. И речь идёт не только о домашних человекоподобных разновидностях – тех, что исключительно схожи с людьми внешне, когда на глаз и не отличишь. Особенность бытового многофункционального робота в отсутствии у него выраженного стремления к компактности. Для большинства технических устройств чем они меньше, тем лучше, но для него это не так. Ему неудобно быть слишком маленьким. Человеческая комплекция делает его идеальным с позиций инфраструктуры – он без труда сможет перемещаться по улицам, пользоваться общественным транспортом, тротуарами, пешеходными дорожками, заходить в здания, в помещения. Занимает место ровно одного пассажира или пешехода, то есть никому не мешает, не перегораживает путь, не суетится под ногами (как это свойственно мелким мех-созданьям), рискуя быть затоптанным в толпе или спровоцировать чьё-то падение. Наилучший (в смысле размеров) бытовой робот – тот, который имеет рост взрослого человека, вес ниже человеческого, ходит при помощи двух ног и способен садиться в кресло в пассажирском транспорте, не становясь при этом непреодолимым препятствием к проходу для сидящих сбоку от него. Такого легко послать куда-то одного – с поручением, за покупками, и т.п. В общем, ныне вполне обыденная вещь, когда на соседнее с вами место в аэробусе, гринере или монорельсовом трамвайчике вдруг усаживается робототехнический агрегат. Ни у кого это не вызовет ни страха ни удивления. Нельзя сказать, что роботы составляют хоть сколько-то значимый процент среди пассажирской братии. Но они есть и они ездят, шансы встретить минимум одного подобного попутчика в поездке достаточно велики.
Многообразие существующей в современном описываемому мире робототехники огромно. Отразить всё его, или хотя бы даже сколько-то значимую его часть в рамках столь ознакомительного повествования о будущем, как ЭБ – невыполнимая задача. Кое-какую информацию о нём вы уже могли почерпнуть из ряда предыдущих разделов ЭБ, ведь роботы упоминаются в разделах и о транспорте, и о хелперах, и о внешнем виде. Позже о них будет говориться так же в разделах о климатических технологиях, спорте, торговле, преступности, армии. Автору остаётся лишь надеяться, всё это вкупе с данным разделом о роботах, и разделами о разумных и личных роботах, позволит Вам, уважаемый читатель, получить более-менее адекватное представление о том, что такое современные роботы, каковы они сами и каковы их возможности.
Двигательная система
Двигательная система (ДС) – это основа двигательного аппарата робота, то, благодаря чему он способен перемещаться, осуществлять физическое взаимодействие с внешним миром, делать физическую работу. Различают три принципа, на базе которых его ДС может быть создана: механический, киберорганический и мономышечный.
Механический – традиционный, появившийся ещё на заре роботостроения. Конвертирует энергию из электрической во вращение ротора электродвигателя, которое далее преобразовывается в движения частей тела робота механическим способом посредством шарнирно-передаточной механики. В дополнение к роторным двигателям существует целый ряд других: пневмопоршневые, пневмобаричесике (работают гораздо быстрее пневмопоршневых, намного мощнее последних при меньших габаритах, должны изготавливаться из материалов повышенной прочности, дабы не разрушиться в процессе работы), линейные (в отличие от пневмопоршневых способны прикладывать значительное усилие не только на расширение, но и в обратном направлении, на сжатие), дискретные (имеют два и более механических состояний, между которыми могут переключаться) и т.д. Такое разнообразие позволяет снизить сложность передаточной механики и число используемых в ней деталей. Тем не менее, недостатком механического принципа движения называют именно сложность передаточной механики, а так же повышенные требования к её прочностным качествам – ведь основная силовая нагрузка при выполнении роботом двигательных действий прикладывается как раз к шарнирно-передаточным механизмам, обычно расположенным в его суставных частях. Достоинством механической ДС считается относительная простота производства и сборки изготовляемых на базе неё робототехнических устройств, дешевизна, лёгкость замены её узлов, отсутствие необходимости в высокотехнологичных высокопроизводительных системах контроля и управления.
Киберорганический – являет собой подобие двигательной системы природных существ, предполагая в общем случае скелетную основу и ходильный способ перемещения посредством конечностей. Базируется на использовании кибермышц – способных к сокращению элементов, выполненных из киберорганики – т.е. из функционально аналогичного мышечной ткани технического (синтетического) материала (см. подраздел о киберорганических материалах раздела ЭБ о киберорганике), который не считается истинно живым, зато обладает улучшенными силовыми, прочностными и прочими характеристиками в сравнении с живой плотью. Достоинства киберорганической ДС огромны, это: максимальность степеней свобод, тонкий контроль состояния двигательного аппарата, обеспечивающий сверхкоординацию движений (что позволяет, к примеру, боевым роботам перемещаться на скоростях до 170 км в час по неровной местности), плавная регулировка силы и амплитуды движений, повышенная устойчивость к тряске и умеренным ударно-механическим воздействиям, возможность регенерации при повреждениях, возможность автоматического наращивания мышечной массы определённых групп кибермышц при регулярных критических нагрузках на них для усиления их силовых качеств, и так же возможность обратного процесса – потери ими массы (авто-дистрофии) в случаях редкого незначительного их задействования – с целью понижения общих энергозатрат, равномерное распределение нагрузок на детали скелета между сопряжёнными элементами движущихся частей робота, простота суставных узлов скелета, отсутствие необходимости в передаточной механике, крайняя дешевизна кибермышц – ведь их получают путём выращивания, а не производства. И др. Но конечно же главное достоинство здесь заключено именно в подобии биологии, т.е. в возможности создавать технические системы, в плане конструкции двигательного аппарата полностью идентичные биологическим существам – животным и человеку. К сожалению недостатков у киберорганической ДС тоже хватает. Киберорганика в сравнении с механикой имеет более узкий коридор рабочих температур, хуже переносит пребывание в агрессивных средах, менее прочна, ей требуется, пусть и в очень малых дозах, снабжение кислородом и специальными питательными веществами. Она объёмнее электродвигателей, занимает больше места, сложнее в употреблении – состоящим из неё добротным двигательным системам совершенно необходим чрезвычайно хитроумный дорогостоящий контроллер, функционально аналогичный спинному мозгу живых существ, а так же мощный процессор движений для комплексного управления множеством мышц, потому что каждая из оных имеет неограниченное число возможных состояний сокращения и силовой напряжённости. Затруднительна замена отдельных частей двигательного аппарата робота (например, повреждённой конечности на новую), так как всякая мышца пронизана огромным числом кибернервов, посредством которых, собственно, и производится управление ей, и все эти нервы должны быть соединены с вышеуказанным контролером. Осуществление подобного соединения – технологически весьма неординарная задача. По той же причине крайне непрост монтаж кибермышц при изготовлении робототехники. Иногда производители даже идут на выращивание мышечного аппарата непосредственно на её скелетных основах – этим сама процедура изготовления облегчается и удешевляется, однако цикл производства удлиняется на недели, а то и на месяцы. Проблематичен доступ к внутренним частям робота, расположенным под кибермышцами, вследствие чего повышается трудоёмкость и стоимость его техобслуживания. Таким образом можно говорить, что применение киберорганической ДС на порядок упрощает механику, и в столь же значительной степени усложняет: а) системы электронного интеллектуального управления движением, и б) сборочно-монтажные и ремонтные работы.
Мономышечный – нечто среднее между механическим и киберорганическим принципами движения, частично обладает достоинствами каждого из них и одновременно лишён их главных недостатков. Так же, как в киберорганической, в мономышечной ДС используются кибермышцы, но более примитивные, имеющие совсем мало, к примеру один или два, нервов контроля. Их принято называть мономышцами. У них нет проблем с монтажом, а управляющая ими электроника сверх меры проста и недорога, фактически по простоте управляемости они аналогичны механике с её электрическими двигателями, однако в отличие от последних не требуют никаких шарнирно-передаточных механизмов. Недостатком мономышц является низкая точность и чёткость управления. Их невозможно применять в сложных двигательных аппаратах, состоящих из сотен мышц, у них намного хуже координация и медленнее взаимодействие с окружающей средой – если робот с полноценной киберорганической ДС умеет двигаться и выполнять работу со скоростью живого существа, так как постоянно чувствует состояние каждой из своих мышц, и потому способен согласованно в динамике манипулировать ими всеми, его собрат с мономышечной ДС данные о пространственном положении частей собственного тела получает в основном косвенным путём: от зрительных видеосенсоров, вестибулярного сенсора, гироскопического сенсора и т.д., вследствие чего вынужден всё делать более замедленно, более плавно, чтобы добиться необходимой точности при выполнении двигательных действий и не утратить равновесия. Там где точность не нужна и условия равновесия стабильны, он может позволить себе повышенный темп движений, например при беге мономышечного и кибермышечного двуногих роботов по ровной поверхности они в состоянии выдерживать приблизительно равную скорость, но при переходе на неровную первый будет вынужден значительно замедлиться, чтобы сохранять устойчивость, тогда как второй даже не заметит этого перехода. Так же к недостаткам мономышц причисляют отсутствие у них способности к нормальной регенерации и управляемому частичному росту. Нельзя нарастить их очагово, с одной стороны или в одном месте, их можно заставить расти только целиком, и в длину и в толщину одновременно. А при повреждении какой-то из них необходимо нанести ей на повреждённую область специальный регенераторный катализатор, иначе она не восстановится. Зато её достаточно легко заменить на другую и вообще не терять времени на ожидание регенерации. Мономышцы применяют в бюджетных моделях роботов с невысокой координацией движений и малым числом степеней свобод (малым по сравнению с киберорганической ДС).
Если двигательная система робота основана на единственном принципе движения, только на механическом, киберорганическом или мономышечном, его относят соответственно к механоидам, кибероидам или кибермеханоидам. Однако нередко применяется гибридная схема построения, когда в ДС в той или иной мере реализованы все виды двигательных принципов – там где необходимо, в наиболее функциональных частях двигательного аппарата, она имеет кибермышечное исполнение, в прочих местах кибермышцы заменяются мономышцами и серводвигателями. В этом случае робототехническое изделие классифицируется по доминантной или ключевой составляющей своей ДС – скажем, при преобладании в нём механики оно будет механоид. В просторечии гибридные модели часто именуют киборгами. Правда следует понимать, слово «киборг» не является наименованием, характеризующим именно ДС. Оно означает, что робот имеет в своём составе хоть какие-то киберорганические ткани, вне зависимости от того, для чего они предназначены. Например, если у него киберорганический внешний покров, т.е. нечто напоминающее кожу человека или шкуру животного, с позиций современной терминологии он так же считается киборгом.
Кроме собственно ДС принято говорить о шасси робота. Неспециалисты часто путают данные два понятия, вероятно потому что термин «шасси» заимствован из транспорта, где они очень близки по смыслу. Однако в робототехнике это не так. Транспорт есть машина перемещения, а робот в общем случае – машина перемещения и действия, т.е. шасси у него компонент двигательной системы, отвечающий за перемещение, но не за действие, только часть её, но не вся она. Не даром даже и классифицируется шасси иначе, совершенно непохоже на ДС – по способу реализации механизма движения. Таких способов существует гораздо больше, чем принципов движения, хотя если выделить основные из них, базовые, наиболее часто используемые для роботов, их так же всего три: ходильный, колёсный и гусеничный. Ну и конечно же ещё есть гибриды, как правило сочетающие в себе ходильность и колёсность – по неровным поверхностям они ходят, а попав на дорожное покрытие выдвигают колёса.
Прочие виды шасси менее распространены, однако робототехники в современном мире так много, столько её вариантов всех возможных размеров, форм, модификаций, конструкций, назначений, функциональности и и.п., что меньшая распространённость в данном случае вовсе не подразумевает излишнюю редкость. Напротив некоторые из них находят массовое применение в роботостроении и вполне тривиальны для быта обывателя. Просто они несколько более специфичны. Скажем, робот в усреднённом традиционном представлении, то есть имеющий размеры с животное или человека, предназначенный для обычной наземной деятельности, несомненно будет либо ходить либо ездить, другие варианты маловероятны. А если речь идёт о микро-устройствах с муху? Или о каких-нибудь сантехнических разновидностях, заточенных перемещаться по трубам и чистить их? Или о поисковых, умеющих высматривать что-либо с высоты птичьего полёта? Здесь станут доминировать уже совсем иные механизмы движения. В общем, помимо базовых встречаются так же летающие шасси, шароходные (используют шаровидные элементы вместо колёс для лучшей проходимости по бездорожью), катковые (робот умеет сворачиваться в кольцо или складываться в шар и катиться всем телом), инсект (подразумевает робота размером не более нескольких сантиметров, способного летать и/или бегать как насекомое), щупальцевые (движутся посредством щупалец-манипуляторов подобно осьминогам), присосочные, магнитные, прыжковые (а-ля кузнечик или кенгуру), ползательные, полозьевые (для условий льда или снега), надводные, подводные. Рывковые (толкают робота вперёд короткими реактивными, пороховыми или пневматическими выхлопами). Рукоходные (не имеют полноценной ходовой части, в случае нужды перемещают себя при помощи рук-манипуляторов). Стационарные (совсем без ходовой части, не рассчитаны передвигаться, при необходимости их перевозят на транспорте). И другие. Далее в рамках данного раздела мы будем говорить преимущественно всё же о роботах в их представлении, приближенном к усреднённому – о более-менее крупных (не с муху и не с теннисный мяч), более-менее смышлёных, не слишком узкоспециализированных (не о сантехнических и не о поисковых), двигающихся адекватным для условий улиц и помещений способом.
Ну и осталось нам упомянуть про манипулярий роботов, так как он тоже компонент их двигательной системы. Манипулярий – это совокупность универсальных манипуляторных устройств взаимодействия с внешней средой. У человекоподобного робота есть две руки – они его манипулярий. У насекомоподобного им служит челюстной аппарат. У осьминогообразного щупальца конечно же часть его шасси, но они же и его манипулярий, ведь он способен как двигаться посредством них, так и выполнять ими манипулятивные действия. Выступающий в роли питомца робот-животное (см. раздел о домашних роботах) типа кошки или собаки вроде бы не обладает никакими манипуляторными устройствами, однако у него наличествуют рот и хвост, которые в принципе можно рассматривать в качестве таковых, да и передними лапами многие механические звери вполне неплохо умеют управляться. Манипулярий – необязательный компонент ДС, не у всех роботов он есть, просто те, у кого его нет, очень ограничены в средствах физического контактного взаимодействия с окружающим миром.
Принято говорить, что двигательная система робота состоит из трёх компонентов: шасси, манипулярия и всех остальных подвижных частей его корпуса. Например, способная поворачивать голову шея – если таковая у него имеется – явно не шасси и не манипулярий, но она тоже элемент его ДС. Почему эти самые «остальные подвижные части» не обрели на языке специалистов собственного отдельного выделяющего их как компонент названия? Видимо потому, что они не очень связаны между собой функционально. Их скорее объединяет остаточный принцип – всё что не шасси и не манипулярий – это они.
Стандартные роботы
Стандартность – это одна из характеристик роботов, как технических изделий, согласно которой всех их подразделяют на два типа: стандартных и прочих. Те, кто несведущ в области роботостроения, часто полагают, речь идёт о соответствие неким общепринятым требованиям или нормам: к размерам, весу, особенностям конструкции, или может набору поддерживаемых функций. В действительно же всё гораздо рациональнее и практичнее. Стандартный робот – это робот, состоящий из стандартизированных унифицированных комплектующих, взаимозаменяемых вне зависимости от фирмы-изготовителя. Подобный подход очень выгоден, в первую очередь для потребителя, так как обеспечивает робототехнике наилучшее соотношение цены/качества, ведь снижение стоимости стандартных компонентов происходит не за счёт упрощения их строения или ухудшения их технических характеристик, а благодаря массовости производства и высокой конкуренции между производителями, заставляющей их постоянно быть в поиске путей к совершенствованию своей продукции и к минимизации издержек при её изготовлении. Иными словами, конкуренция ведёт к повышению качества товара при одновременном уменьшении его стоимости. Но в стандартности есть выгода и для производителей. Детали, блоки и агрегаты стандартного робота столь просты в замене, что нередко пользователь может собственноручно устанавливать их без обращения в сервис-центр или вызова специалиста, а иногда робот и сам способен проводить операцию по их замене, либо таковая услуга осуществляется бесплатно продавцом запчасти. Это провоцирует людей на апгрейд – т.е. частую и не всегда оправданную с практических позиций замену компонентов тел своих механических помощников на более новые, более совершенные или обладающие иным набором функциональных качеств аналоги.
Стандартность присуща преимущественно механоидам и кибермеханоидам, т.е. роботам с механической и мономышечной типами ДС. Кибероидам она не свойственна, прежде всего потому что их тела не очень рассчитаны на апгрейд; монтаж и демонтаж оборудования – приложительно к ним нетривиальные операции даже для высококвалифицированных техников или специалистов по кибер устройствам. Например, заменить руку/манипулятор у механоида – плёвое дело, у кибермеханоида тоже несложно, для этого всего лишь необходимо отсоединить её от скелетной основы, цепей энергоснабжения, шины управления и шины сенсорного обмена, и проделать обратные операции для присоединения новой конечности. А попробуй заменить кибермышечную руку. Её и удалить-то довольно проблематично, потребует некоторой технической грамотности и определённых навыков, а уж установить другую… Нервы кибермышц так просто с «нервной системой» робота не соединишь – тут либо нужно использовать высокотехнологичное оборудование для их сварки, либо понадобится ждать недели, пока они срастутся сами, но они могут срастись и неправильно, если сделать что-то не так, и даже в случае удачи новая конечность какое-то время будет работать немного неточно, не идеально, с повышенной погрешностью. Безусловно существуют и кибероиды, пригодные для апгрейда причисляемые к классу стандартных. Однако как правило они или не совсем кибероиды, то есть имеют гибридную ДС, или же в них применяется не самая эффективная схема организации «нервной системы», когда каждая отдельная конечность оснащена своим собственным отдельным контроллером состояния мышц, и общий контроллер, объединяющий весь мышечный аппарат в единое целое, у них отсутствует. Тем не менее, суть в том, что они всё же есть – имеются в продаже. Хотя и очень дороги, стандартные кибероиды наиболее дорогостоящи из всей стандартной робототехники, позиционируясь как элитная продвинутая её разновидность.
Набор компонентов, доступных в стандартных роботах для апгрейда, как правило не ограничен. Конечно бывают и исключения, и их много, но у большинства заменяемо практически всё: источник энергии, ИИ, сенсорные системы, коммуникационное устройство, детали внешнего корпуса, включая «голову» или отдельно «лицо» (при условии что последние или намёки на последние в той или иной степени у робототехнического изделия имеются), системное программное обеспечение, набор функций, встроенный инструментарий, двигатели и серводвигатели, механические узлы. И даже скелетная основа и корпус – когда нужен робот более высокий или наоборот менее габаритный, зачем брать нового, если можно купить только пустой остов и перебросить в него все компоненты из старого. Апгрейд – это целая индустрия, где есть место и профессионалам, кто помогает страждущим улучшения своей техники за деньги, и любителям, увлечённым очарованием домашнего роботостроения. Не редки школьные клубы, в которых азы возни с внутренностями роботов постигают дети, встречаются и серьёзные взрослые мини-сообщества, старающиеся произвести на свет что-то эксклюзивное, претендующее на звание предмета технократического искусства, бренд особого качества или собственный неповторимый почерк, когда по виду либо функциональным особенностям механического существа можно безошибочно угадать, кто его авторы. Без стандартизации весь этот достаточно обширный пласт культурно-технических интересов общества имел бы куда как более скромные масштабы, а роботы несомненно были бы менее распространённым элементом повседневности, чем есть сейчас, в настоящий описываемому момент. Основная заслуга стандартности пожалуй в том, что она предоставляет относительно недорогую компонентную базу. Ну и ещё она в определённой мере открывает пути к творческим экспериментам над робототехникой тем, кто не имеет специального роботостроительного образования.
