Александр Прасол

Роботы. История развития машин

© Текст. Александр Прасол, 2024

© Оформление ООО «Издательство АСТ», 2025

Феномен Карела Чапека, или Вместо нудного предисловия

Существуют слова-символы, которые не переводятся на другие языки, но обозначают величайшие изменения, происходящие в человеческой цивилизации. В октябре 1957 года весь мир облетело короткое слово «спутник», возвестившее начало космической эры. Прорыв человечества за пределы земного тяготения дал толчок развитию множеству прикладных технологий, без которых мы сегодня не можем обойтись. Пилотируемые полеты и предсказания погоды, предупреждения природных катаклизмов и получение в невесомости новых материалов, выращивание на орбите биовидов с уникальными свойствами и спутниковая навигация в мобильных устройствах…

Другим таким непереводимым, но абсолютно понятным каждому словом-явлением стал «робот», введенный чешским писателем Карелом Чапеком. «Робот» или «robot» – суть одна и та же. Так называется многочисленный отряд технических устройств, появившийся сравнительно недавно, но ставший незаменимым помощником человека. Мы пробежимся по основным этапам развития и самых простых роботов, и целых сложнейших робототехнических систем, но сделаем это обстоятельно, чтобы ничего не упустить. Итак…

На протяжении всей истории человечества пытливый ум и стремление облегчить тяжелый труд приводили к появлению многочисленного отряда помощников. Как живых, так и неодушевленных. Прирученные дикие звери помогали справиться с той работой, на которую человеку не хватает сил. Вьючные животные перевозили грузы на большие расстояния. Запряженные в удобные повозки, они стали первым транспортом, благодаря которому племена освоили новые территории и заселили материки. Пастушьи собаки охраняли от хищников и помогали управлять многочисленными стадами. Почтовые голуби доставляли спешные депеши в другие города или осажденную неприятелем крепость. Даже обыкновенные гуси стали легендарными спасителями Древнего Рима, своим гоготаньем предупредив стражу о ночном нападении врагов…

Но большее значение имели инструменты и механизмы. Они вооружили человека и позволили ему делать такие вещи, которые не встречались в живой природе. Ученые считают, что первый переворот в техническом прогрессе произошел, когда было придумано колесо. Именно придумано, потому что в природе его нет! Оказалось, что катить гораздо легче, чем тащить. И это свойство служит цивилизации на протяжении без малого десяти тысяч лет.

Исполинские египетские пирамиды, дошедшие до нашего времени, величественные храмовые комплексы Юго-Восточной Азии, построенные из огромных камней, тщательно обработанных и пригнанных друг к дружке с такой точностью, что кажутся созданными представителями внеземной цивилизации, – все это стало возможным лишь благодаря десяткам простых инструментов. И еще каторжному труду сотен тысяч рабов и вольных строителей…

Наверное, созерцание этого изнуряющего труда, длящегося от нескольких десятков до сотен лет (столько строились, например, соборы в средневековой Европе), и привели к мечтам и стремлению облегчить ручной труд. А в лучшем случае – вообще избавить человека от труда. И дать ему возможность заниматься более приятным и легким – например, гармоничным развитием личности.

Сколько в народе создано сказок и преданий о чудесных помощниках! Взять хотя бы Емелю с его щукой. По щучьему велению ведра ходили на реку за водой, а топор сам колол дрова и в поленницы укладывал. Печка ехала прямо на царский двор за прекрасной царевной. А Емеля праздно грел бока на теплой лежанке.

О том, чтобы получить много свободного времени, мечтали лучшие умы человечества. Они обосновывали появление «искусственных рабов», которые будут помогать в самых трудоемких профессиях. А человек, вздохнув с облегчением, будет развивать науки и искусства, строить прекрасные храмы и писать замечательные стихи. «Золотой век человечества», а именно так принято называть период расцвета Древней Греции, Египта и Рима, длился на протяжении нескольких столетий. И в это время были заложены основы современной науки – математики, физики, механики, философии. Для развития людям необходимо было свободное время и достаточное количество материальных благ. И то, и другое могли обеспечить целые армии рабов. В Древнем мире основным источником получения дармовой рабочей силы становились многочисленные войны. И все же философы мечтали иметь механических рабочих, которым не надо платить, которые не болеют и не требуют еды…

Знаменитый греческий ученый-естествоиспытатель и мыслитель Аристотель, бывший, между прочим, учителем величайшего военачальника Александра Македонского и богатым рабовладельцем, примерно в четвертом веке до нашей эры изложил принципы автоматизации производства. Наблюдая за подневольным трудом рабов, Аристотель увидел его неэффективность. Ведь раб никогда не был заинтересован в результатах своего труда. Ученый сделал вывод о том, что именно автоматизация – использование силы и возможностей машин и механизмов – приведут к ликвидации рабства. Он писал: «Если бы каждый инструмент мог выполнять свойственную ему работу сам, или по данному ему приказанию, либо даже его предвосхищая, если бы, например, ткацкие челноки сами ткали, а плектры сами играли на кифаре, то тогда архитекторы не нуждались бы в «рабочих», а господам не были бы нужны рабы».

Удивительно читать эти строки. Ведь уже современники мыслителя сумели создать устройства, которые не просто облегчали труд людей, но иногда и полностью заменяли раба. Несмотря на то, что завоевательные походы Александра Македонского расширили пределы Эллады на полмира, приводя в метрополию сотни тысяч рабов из покоренных царств, механики трудились над конструированием приборов, удивляющих даже нас, сегодняшних. И об этом мы скажем чуть позже, а пока…

После окончания опустошительной и разрушительной Первой мировой войны человечество задумалось о своем дальнейшем существовании. Наступивший мир давал возможность не только восстановить разрушенную войной промышленность, но и создать условия для будущего процветания народов. Закипела инженерная мысль, давая жизнь новым механизмам, рождая новую технику, транспорт и технологии. Писатели-фантасты рисовали будущее с такой достоверностью, словно предвидели ход научно-технического прогресса. Вспомним, что именно в это время Алексеем Толстым были написаны авантюрный роман «Гиперболоид инженера Гарина» о приборе, который мы сегодня знаем под названием «лазер», и «Аэлита» – о космическом полете на Марс.

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек написал пьесу «Р.У.Р» («Россумские универсальные роботы») или на чешском языке «R.U.R» («Rossumovi univerzalni roboti»). Сознательно или нет, Чапек в ней употребил слово, которое сегодня известно каждому человеку на земле, от ребенка до седого старца, – «робот». В пьесе рассказывается о расположенной на пустынном острове промышленной фабрике, на которой выпускались… человекоподобные роботы. Благодаря секретному способу оживлять материю, открытому ученым Россумом, удалось создать живое существо, во многом похожее на человека. Судя по описанию и рисункам, которые сделал художник Йожеф Чапек, старший брат и соавтор Карела, это были андроиды. Их делали из биологического материала, наделяя примитивным умом. У искусственно созданных существ была одна особенность. Роботы любили трудиться и при этом очень дружелюбно относились к людям. Сходство с людьми было таким большим, что одна из героинь пьесы, попавшая на фабрику, принимает их за переодетых людей.

Роботы успешно размножаются, их число постоянно растет. Всю работу на земле выполняют роботы, а людям достается праздная и обеспеченная жизнь. Казалось бы, вот оно – райское наслаждение! Но за праздную жизнь следует неминуемая расплата. Привыкшие к вечному ничегонеделанью люди попросту перестали размножаться. И тут начинается неожиданное – андроиды восстают против людей. Некоторые роботы по непонятным причинам начали мутировать и проявлять непослушание. Они стали ощущать себя людьми и требовать к себе «человеческого» отношения. По законам таких роботов следовало уничтожать, но героине пьесы стало жалко взбунтовавшееся существо, и она сжигает секретную формулу Россума. В результате этого отчаянного действия совершилось непоправимое – человечество было полностью уничтожено роботами… Кстати, для Чапека характерен еще один пример «вочеловечения» животных. Это он описал в сатирическом романе «Война с саламандрами» (кто заинтересуется – прочтите, правда, история не имеет отношения к роботам, а потому мы о ней здесь просто упоминаем).

Пьеса-антиутопия «Р.У.Р» неожиданно обозначила сразу несколько направлений в будущем развитии робототехники. Первое и очевидное – использование роботов в качестве помощников в труде. Сегодня мы сталкиваемся с использованием тех или иных роботов и на производстве, и в быту, и в медицине, и даже в развлечениях. Боевые роботы стремительно меняют ход вооруженной борьбы, а чат-боты помогают управлять музыкальными коллекциями или осуществлять покупки в интернет-магазинах, информируют нас о новых событиях или помогают при работе с социальными сетями. Прогресс дошел даже до того, что в качестве игрушек для домашних питомцев стали изобретать роботов!

Второй аспект, заключенный в пьесе «Р.У.Р», состоит в предвидении появления биороботов, сочетающих живую и неживую материю. Эксперименты, проводившиеся в некоторых странах по вживлению микрочипов в организм человека или животного, способны воздействовать на органы или, в некоторых случаях, даже заменять их. Иногда это дает возможность спасти жизнь человека или восстановить атрофированные конечности, пострадавшие в результате болезни или несчастного случая. Недавно одна из созданных Илоном Маском компаний вживила нейрочип в мозг парализованного человека, который получил возможность управлять рядом домашних электронных устройств силой мысли.

И, наконец, главное – появление широко известных Трех правил робототехники, выведенных знаменитым американским писателем-фантастом Айзеком Азимовым. Именно они должны предотвратить возникновения угрозы для человека со стороны роботов и возможный «бунт машин».

… Европа снова полыхает в новой, еще более жестокой войне. Очаги военных пожаров распространились и на Африку, и на Юго-Восточную Азию. Вторая мировая становится самой кровавой в истории человечества. Отброшены общечеловеческие ценности. Инженерная мысль во многих странах занята созданием все более смертоносных вооружений. Но есть люди, которые в это же время ищут способы обеспечить людям мирное и достойное существование. Композиторы пишут жизнеутверждающие симфонии, кинематографисты показывают победоносное окончание войны, писатели создают в своих книгах новый жизненный уклад, наполненный созидательным трудом.

Фантастические сюжеты в это время богаты самыми смелыми техническими решениями. В теперь уже далеком от нас 1942 году Айзек Азимов в своих произведениях несколько раз берется за развитие необычной темы – робототехники. В рассказе «Хоровод» он впервые формулирует три закона робототехники. Согласно требованиям этих законов, для роботов должны быть выработаны некие условия их существования. И, самое главное, они никогда не должны причинить вред человеку. Наверное, на такие мысли писателя натолкнули именно военные события, когда человеческий гений оказывается направленным на массовое истребление людей. Еще в глубочайшей тайне американскими учеными и инженерами разрабатывается атомная бомба, которая упадет на Хиросиму и Нагасаки; еще не долетают до Лондона немецкие ракеты инженера Вернера фон Брауна; еще колдуют химики концерна ИГ Фарбениндустри над зловещими формулами отравляющих газов для концлагерей… Еще…

А в это время Азимов выводит свои правила робототехники. Вот они: 1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред. 2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому или Второму Законам.

Итак, человек в любом случае должен быть абсолютно защищенным от вредного воздействия технического прогресса!

Но самое время возвратиться к пьесе Чапека. Она имеет неожиданный конец. Истребив все человечество, роботы вдруг начинают понимать, что без людей они могут воспроизводиться лишь в виде кусков мяса и набора костей. Уникальная формула Россума-старшего, благодаря которой удавалось оживлять биомассу и делать ее сознательной, окончательно утрачена. Роботы начали стремительно вымирать. И тогда последний из людей, архитектор Алквист, оставленный роботами в живых, потому что он все делает своими руками, предлагает последнее средство. Он должен умертвить одного из роботов, чтобы посмотреть, как они устроены. И, возможно, найти ту самую секретную формулу. Два робота, наделенные мужскими и женскими признаками, предлагают себя вместо другого. Алквист понимает, что это – любовь, а роботы Примус и Елена становятся первыми Адамом и Евой среди своих собратьев…

Чуть ниже мы обязательно расскажем о биороботах и искусственном интеллекте. Потому что первые – это возможное развитие робототехники, а без искусственного интеллекта невозможно функционирование сложных робототехнических систем.

Итак, мы пришли к нашему первому заключению, что роботы – это некие устройства, способные оказать помощь человеку в непосильном, или монотонном, или вредном труде. В отличие, скажем, от телефона или компьютера, роботы призваны выполнять механическую работу. Этим обстоятельством и вызван большой интерес к созданию огромного семейства роботов – от самых маленьких, используемых, скажем, в медицине, до гигантских промышленных комплексов, работающих на крупных машиностроительных заводах.

Но для того, чтобы машина могла сравниться с человеком, она должна была иметь целый набор качеств, присущих живому индивидууму. Машинное зрение, чувствительные манипуляторы, при помощи которых робот может выполнять те или иные операции, подвижность всего устройства или его частей. А еще робот должен обладать возможностью воспринимать вводимые в него команды и выполнять операции в соответствии с выработанной оператором программой.

Самыми примитивными роботизированными системами мы можем считать станки с программно-числовым управлением (ЧПУ). Сегодня без них трудно представить современное производство. Это, конечно, не роботы из фантастических романов, но станки с ЧПУ позволяют работать с высокой точностью, как говорят, 24/7, без перерывов на обед и усталости. А наиболее совершенные из них могли бы обладать функцией самосовершенствования и самообучения. Многие эти функции стали возможными только с появлением мощной вычислительной техники, при миниатюризации электронных компонентов, с созданием бионических материалов и устройств.

В качестве доказательств достаточно привести такой пример. Ученые Северо-Западного университета в штате Иллинойс (США) создали самого маленького на сегодняшний день управляемого робота. Его размеры по всем измерениям не превышают 0,5 миллиметров. Несмотря на такую миниатюрность, робот может ходить, прыгать, поворачиваться и изгибаться. Причем все это делается без внешнего питания от электричества или гидравлики.

Внешне робот-малютка напоминает краба с восемью лапками. Благодаря им устройство и осуществляет движения. Лапки робота могут сокращаться до десяти раз в секунду. Как же управляется такой представитель семейства роботов? Ученые нашли оригинальное решение. Оказалось, что один из сплавов с эффектом памяти деформируется при помощи тончайшего слоя из стекла. При нагревании металл возвращает свою первоначальную форму, а при остывании стеклянное покрытие заставляет его снова деформироваться. Из-за невероятно тонкой пластинки из такого композита нагрев и остывание происходят почти мгновенно. Это и позволяет роботу совершать крошечные шажки. Нагрев малютки осуществляется лазером. Причем робот совершает движение именно в сторону луча.

Разработчики считают, что такой робот может быть использован как в промышленности для ремонта или сборки сложных конструкций, так и в медицине для остановки кровотечений или удаления опухолей. Правда, с лечением могут возникать трудности – а как помещать в тело пациента манипулятор с лазером?

А какой самый большой в мире человекоподобный робот? Тут вовсю постарались японские инженеры. Видимо, им не давали покоя фильмы об ископаемом динозавре Годзилла или роботах-трансформерах, на историях о которых выросло не одно поколение детей во всем мире. В Йокогаме создали двадцатиметрового шагающего монстра Гандама. Он весит свыше двадцати тонн и может двигаться в разных направлениях. Правда, при этом Гандам не может выполнять никакую работу. Вот почему многие исследователи считают этого монстра просто-напросто анимированной скульптурой. За движение робота отвечают 24 мощных исполнительных механизма, которые дают Гандаму 24 степени свободы (о том, что это такое, будет ясно из дальнейшего повествования). Скептики, проанализировавшие конструкцию и механизмы гиганта, пришли к неутешительному заключению, что самый большой шагающий робот – на самом деле всего лишь имитация, движение которой осуществляется за счет внешних поддерживающих конструкций.

Во многих странах мира прохожих развлекают левитирующие дервиши, весь секрет зависания над землей которых заключается в хитроумной металлической опоре, которая маскируется в складках одежды. Как это похоже на феномен Гандама…

Однако оставим пока эти примеры для других, пусть они изучают их и выносят свой вердикт. Давайте лучше пройдемся по пыльным тропинках человеческой истории, чтобы понять, откуда появились идеи создания роботов, зачем мыслители Древнего мира пытались поверить алгеброй гармонию, какие технические изобретения трехтысячелетней давности сегодня используются в самых современных роботах.

Глава 1

Ab ovo, или Родословная роботов

Умели древние римляне емко выражать свои мысли! Чего стоит знаменитое: veni, vidi, vici – пришел, увидел, победил, – три слова, которыми Гай Юлий Цезарь уведомил своего друга Гая Мация в Риме о победе, одержанной им над Фарнаком, сыном Митридата Понтийского в августе 47 года до н. э.

Конечно, в Древнем мире были и другие народы, не любившие велеречивости. В известной нам Спарте была провинция Лакония, население которой вошло в историю не только военными подвигами и беспримерным мужеством, но и умением достойно ответить врагу. Легенды сохранили два таких примера. Во время войны с персами, когда триста спартанцев царя Леонида встали против воинов Ксеркса, владыка Персии с явным намеком бросил вызов грекам: «Сложи оружие!» На что Леонид, как и требовали обычаи Лаконии, ответил также двумя словами: «Приди, возьми».

Еще лаконичнее был ответ, данный спартанцами царю Македонии Филиппу, отцу будущего величайшего завоевателя Александра Македонского. Филипп, уверенный в своих силах, потребовал от противника сдачи, иначе, если он возьмет город, то его жителей ждет страшная участь. Спартанцы ответили одним-единственным словом: «Если!»

Собственно, отчего это мы взялись за древних греков и римлян?! И при чем здесь краткость языка и родословная роботов и робототехники, о которых заявлено в названии главы?! А все потому, что ставшее крылатым латинское выражение «Ab ovo», означающее буквально «От яйца», то есть, с самого начала, прежде всего, как нельзя лучше подходит к возникновению механических помощников, которые спустя тысячелетия трансформировались в привычных нам роботов.

Первую паровую турбину, вернее, ее маленькую модель, изготовили как игрушку еще в I веке до н. э. Произошло это при дворе египетских правителей Птолемеев, в Александрии, в знаменитом Мусейоне – своеобразной академии наук древности. Герон Александрийский называл эту игрушку эолопил, то есть ветряной шар.

Игрушка поражала воображение современников. Для них шар, вращающийся от действия пара, был чудом, а для Герона – очередной возможностью подтвердить свои гениальные догадки в реальном механизме. Над небольшим очагом он закрепил полый шар. В него были вставлены две трубки с загнутыми в противоположные стороны концами. Шар наполнялся водой, трубки закрывались пробками, и огонь начинал нагревать шар. В определенный момент вода закипала, в шаре резко поднималось давление. Пробки с хлопком вылетали, а пар, вырываясь из трубок, приводил шар в быстрое движение. Мог ли предположить Герон, что его вертушка станет рабочим агрегатом в современных паровых турбинах?! Или то, что сила пара будет приводить в движение поршни в паровых машинах, давая энергию пароходам и паровозам, запускать станочный парк, вырабатывать электричество?!

Учителем Герона был знаменитый Ктесибий, который, говорят, учился у самого Архимеда. Ктесибий изобрел пожарный насос, водяные часы и даже водяной орган, или гидравлос. Архимед изучал свойства рычага и открыл свой знаменитый закон гидростатики. Однако Герон превзошел своих учителей – по крайней мере, в механике. Свойствами воздуха и пара никто до Герона не занимался. А ведь в последующие столетия, как мы сказали немного выше, эта стихия будет работать в самых разных приборах и механизмах. Пневмопочта и пневмоприводы – лишь часть этого многочисленного отряда. Свои труды в этой области Герон описал в специальной книге – «Пневматика».

Эти изобретения не имели своей целью заменить тяжелый физический труд подневольных людей, но они наглядно показали пример использования научных открытий в практических целях. И породили десятки изделий, использовавшихся и в быту, и на поле брани. Тот же Герон Александрийский изобрел автоматический арбалет, стрелявший дальше и точнее любого лучника.

Сохранились чертежи и описания механизмов и автоматов – да, да, автоматов, изобретенных Героном. Например, автомата по продаже святой воды в храме. Верующий опускал в щель пятидрахмовую бронзовую монету и получал порцию воды для ритуального омовения рук и лица. Количество отпускаемой воды задавалось мерным цилиндром над пустотелой пробкой крана. Вечером жрецы забирали выручку и вновь наполняли автомат святой водой. Сегодня во всех автоматах, разливающих жидкости, применяют те же принципы, что и в первом автомате Герона.

Широко известен также автомат открывания дверей храма. Над жертвенником около храма зажигался огонь, и двери храма открывались сами. В скрытом под жертвенником металлическом шаре огонь нагревал воздух, тот, расширяясь, проталкивал воду через сифон в огромную бадью, подвешенную на цепях системы противовесов и шкивов, которые поворачивали двери на их осях, когда бадья становилась тяжелее. Когда огонь на жертвеннике угасал, происходила еще одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путем. Опустевшая бадья возвращалась вверх, приводя в обратное движение систему шкивов, и двери торжественно закрывались. Верующие не знали о существовании такого устройства и приписывали выполнение ритуала высшим силам!

Такой механизм не был единственным устройством, изобретенным гениальным ученым. В христианстве сигналом к молитве служат удары в колокола, в мусульманстве – призывный крик муэдзина. Для того чтобы оповещать древнегреческих верующих об открытии храма, Герон придумал особый рожок. Он играл роль дверного звонка, а также подавал сигнал тревоги при взломе двери. Все эти механизмы заказывали Герону жрецы богатых египетских храмов. А верующие египтяне и греки (напомню, это был птолемеевский Египет) воспринимали эти механизмы как божественное чудо.

Поющую механическую птичку, описанную Андерсеном в сказке «Соловей», также придумал и описал Герон. Толпы народа каждый вечер перед заходом солнца собирались у его дома, чтобы увидеть удивительное представление. Маленькие певчие птички сидят напротив огромной совы. Как только сова отворачивается от птичек, певуньи начинают весело свистеть. Но стоило грозной сове повернуть голову к птичкам, как те испуганно умолкают. Автомат действовал с помощью очень остроумной конструкции. Мы уже упоминали, что Герон увлекался пневматикой и гидравликой. На основе свойств жидкости и воздуха он создал массу различных механизмов и сложных устройств. Достаточно упомянуть о «вечном» фонтане, принцип которого использовали более поздние механики при сооружении знаменитого каскада фонтанов в Петергофе.

И для поющих птичек были использованы два закрытых сосуда – большой и маленький. На крышке одного из них помещались птички, другого – сова. В большой сосуд стекала вода, постепенно вытесняя воздух, который, проходя по тонкой трубочке, издавал свистящий звук, напоминающий пение птицы. Заполнив этот сосуд, вода по отсосной трубе начинала переливаться в другой, масса которого соответственно увеличивалась. С помощью веревки, перекинутой через блок, прикрепленный к валу, проворачивалась ось с сидящей на ней совой. Уровень воды в сосуде в это время был небольшим, воздух по трубке не выходил, и птички «молчали».

Герон также нашел, каким образом можно измерять расстояния при помощи зубчатой передачи. Механизм крепился на ось колеса повозки и приводил в движение диск, показывающий пройденный путь. Диска хватало на 32 километра, затем отсчет начинался снова. Древние римляне усовершенствовали прибор – в горизонтальном диске просверлили отверстие, заполненное мелкими камешками. Через каждые 5 тысяч шагов отверстия в диске и приемном ящике совмещались, и туда падал камешек. После поездки оставалось подсчитать камешки и произвести оплату. Современные таксометры работают примерно по тем же принципам, что и таксометр Герона.

Но верхом мастерства Герона-механика, конечно же, был театр марионеток. На верху небольшой колонны находился макет театральной сцены, скрытой за дверцами. Они открывались и закрывались пять раз, как бы разделяя на акты драму о печальном возвращении победителей Трои. На маленькой сцене куклы мастерски показывали, как были сооружены и спущены на воду парусные корабли, как герои поэм Гомера плыли на них по бурному морю и погибали в морской пучине под сверкание молний и раскаты грома, – и все это без участия людей, только при помощи техники. Древние греки называли кукол Герона «автоматами», что в переводе с древнегреческого буквально означает «механизм, подражающий действиям человека». Позже это слово перекочевало в современные европейские языки.

В Греции с легкой руки Платона ученые скептически относились к механике, не считая ее занятием достойным ученых мужей. Однако Герон, в отличие от своих учителей-предшественников, не стеснялся называть себя механиком. Свои познания в механике он обобщил в труде с одноименным названием. В «Механике» Герон описал пять простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок – и обобщил все достижения древности в механике. Употребить все свои познания в механике на практике Герон не мог – слишком опережал свое время, в котором еще не возникла потребность применить их ради пользы людей. Слишком дешево в античном мире стоили рабы, которые выполняли всю грязную и тяжелую работу за свободных граждан. И тогда Герон реализовал свои идеи в занимательных игрушках…

Увлечение изготовлением механических игрушек было свойственно не только Герону. Эллинистический мир распространился на огромное пространство Средиземноморья и Малой Азии, многочисленные острова и даже прибрежные районы Черного моря, или, как его называли греки, – Понта Эвксинского. Древняя история гласит, что на одном из островов жил любознательный и мастеровитый механик Дедалос. (Не отсюда ли легенда от Дедале и его сыне Икаре, дерзнувших покинуть остров, захваченный врагами с помощью гигантских крыльев?) Был у Дедалоса необыкновенный дом, вызывавший удивление и восхищение всех островитян. Внешне здание напоминало поросший цветами холм, а внутри комнаты были расположены в виде лабиринта. Всякий, кто попадал в этот дом, не мог выйти без помощи хозяина. Только Дедалосу была известна схема комнат, дверей и коридоров.

Лабиринт, внутри которого жил страшный Минотавр, стал основой для греческого мифа. И поединок с чудовищем был одним из подвигов Геракла.

Создатель этого лабиринта Дедалос прославился также изготовлением деревянных человечков, которые могли шагать и двигать руками, и особенно своим самым прекрасным творением – деревянной движущейся фигурой богини Афродиты.

Греки деятельно умножали знания из самых разных областей. В Александрии они основали знаменитую библиотеку, в которой хранили многочисленные рукописи философов, механиков, математиков. Благодаря этим папирусам, или пергаментам, до наших дней дошли описания многих механизмов, подражающих движениям человека и животных. Иначе откуда бы мы узнали, что тарентский философ и математик Архит в IV веке до н. э. смастерил деревянного голубя, который махал крыльями и мог даже взлетать. Египетский фараон Птолемей Филадельфийский в III веке до н. э. заставил своего раба изготовить куклу, подражавшую движениям человека.

Увы, человеческая история подвержена цикличности. За невиданным расцветом эллинской культуры, давшей миру множество наук и открытий, последовала эпоха угасания и связанного с ним упадка. Почти на тысячу лет цивилизация впала в мрачные века невежества и отрицания роли науки и техники. И лишь в период средневекового Возрождения удалось приблизиться ко многим достижениям, сделанным в древности.

Возникают первые мануфактуры, для которых изобретаются многие механизмы, облегчающие труд человека. Механика становится господствующим культом в Европе. Сотни и тысячи пытливых людей трудятся над созданием новых устройств. Одним из таких приборов становятся часы. Часовой механизм – одно из самых совершенных устройств в мире. И его свойство точно отмерять временные отрезки – далеко не самое важное.

Часы – это, по сути, первый автомат, созданный человеком, первое программное устройство. Благодаря особому свойству шестеренчатых передач, использованию пружинного механизма для передачи усилий, а также маятнику с дозированным колебанием, удалось построить многие механизмы, которые впоследствии получили название «автоматонов».

В моем детстве самыми примитивными изделиями на этом принципе были механические игрушки – заводные автомашины и поезда, шагающие цыплята и прыгающие лягушки. До появления радиоуправляемых машин и катеров было еще целых полвека!

Однако не будем забегать так далеко – тем более, что нас ожидает знакомство с выдающимся французским механиком, чье имя уже стало нарицательным, – Жаком Вокансоном. Он родился в начале восемнадцатого века, в год знаменитой Полтавской битвы в 1709 году. За семьдесят лет жизни Вокансон сконструировал множество занятных механизмов, многие из которых дошли до наших дней и продолжают работать.

Самым удивительным аппаратом среди специалистов считается механическая утка. Вокансон изготовил ее в натуральную величину, снабдив клювом и оперением. Утка повторяла все действия живой птицы. Она щелкала клювом, плавала, брызгалась в воде, двигала крыльями, чистила и расправляла перья, крякала, вытягивала голову вверх, клевала зерна и глотала их, повторяя глотательные движения живой утки, и даже «переваривала» корм.

Пример Жака Вокансона побудил многих механиков последовать его примеру копировать живую природу. Иногда это были мастерские имитации, иногда – целые произведения искусства. Многим известен золотой павлин, находящийся в знаменитом Эрмитаже в Санкт-Петербурге. Каждый час павлин приходит в движение, распушает хвост, хлопает крыльями, поворачивается из стороны в сторону. Десятки посетителей музея собираются в этом зале, чтобы увидеть это механическое чудо. Механизм, скрытый от глаз в зеленом холмике с грибочками, ягодами и мелкими зверушками, заводится при помощи особого ключа. Часовой привод и обеспечивает движение павлина.

Животные способны только умилять и восхищать зрителей. Но практической пользы от них не было никакой. А мы ведь помним, ради чего создаются роботы, – для выполнения физической работы. И здесь уместно рассказать о других устройствах, именуемых автоматонами.

Давайте с вами сделаем простейшие движения – помашем руками, прошагаем несколько метров, выполним наклоны туловища в стороны. За каждым из этих действий стоит свой вид движения – прямолинейные и круговые, возвратно-поступательные и сделанные под разными углами. Именно поэтому древние ученые и механики считали возможным изготовление механических приспособлений, которые могли бы имитировать движения живого человека или животного. Отсюда и создание безмолвных слуг и актеров-марионеток.

Глава 2

Механика, творящая чудеса

Если вы любили в детстве кукольные театры, а, возможно, и сами разыгрывали небольшие сценки с марионетками, то прекрасно знаете, как устроены механические актеры. Это либо тряпичные куклы, которые либо надеваются на руку человека-актера, либо приводятся в движение тонкими веревочками. К одному или двум деревянным перекрестиям привязаны прочные нити. Они ведут к рукам, ногам и туловищу куклы-марионетки. При известном навыке вы сможете имитировать шаги, прыжки или танцы деревянных человечков, а при необходимости и разыгрывать целые поединки.

Но это очень примитивные примеры. В Средние века в Европе начинается подлинный расцвет наук, среди которых выделяются физика, математика и механика. Преодолевая мракобесие, насаждаемое католической церковью, многие ученые исследуют явления природы, животных и самого человека, чтобы использовать полученные знания во благо людей.

Весьма преуспевал в этом деле и человек, которого называют гением Средневековья, – Леонардо да Винчи. Он был успешен в десятках занятий – живописец и скульптор, математик и механик, конструктор и изобретатель. Леонардо раздвинул границы познания до невиданных пределов. А некоторые его изобретения, найденные спустя столетия в архиве да Винчи, значительно опередили свое время.

В музеях и картинных галереях, посвященных изобразительному искусству, нередко можно увидеть полотна, на которых показаны средневековые врачи, стоящие возле больного или мертвого человека. Хирурги, изучая строение внутренних органов, пытались понять, как устроено тело человека, как взаимодействуют мышцы, кости, насколько подвижны суставы.

И это было не праздное любопытство. Для нашей темы важно знать, что Леонардо да Винчи досконально изучал строение человека. И в его скульптурных, и в живописных работах тело воссоздано с анатомической точностью. Но художественным творчеством не исчерпывался интерес Леонардо к анатомии. Благодаря знанию внутренних органов, он создал механического рыцаря, закованного в латы, который мог управляться с оружием. Вместо мышц и связок механик использовал знакомые ему шестерни и приводы, которые применялись во многих механизмах. Они позволяли рыцарю двигать руками и ногами, поворачиваться в разные стороны. Хроники не оставили записей, удалось ли да Винчи построить своего рыцаря, но уже в наше время был обнаружен архив великого флорентийца. Среди них был и механический рыцарь. Современные специалисты сумели воссоздать рыцаря по чертежам Леонардо. Громадная игрушка могла самостоятельно двигаться!

Нам трудно понять, какие именно идеи хотел вложить в своего рыцаря Леонардо. Возможно, это могла быть создана механическая армия. Нам ведь хорошо известны военные проекты да Винчи – прообраз танка, вертолета, парашюта, орудий… Это были изобретения, которым суждено было воплотиться в металле спустя несколько столетий.

Имя этого гения еще не раз будет упомянуто в нашей книге. Заслуги перед человечеством его так велики, что один из самых совершенных на сегодняшний день медицинских роботов-ассистентов хирурга так и называется «Да Винчи»! Об этом будет рассказано в соответствующей главе. А пока продолжим экскурс в прошлое.

Если бы «открытие» Китая случилось не в тринадцатом веке, после путешествия в Поднебесную генуэзского купца Марко Поло, описавшего множество восточных чудес и привезшего в Европу шелковые ткани, фарфоровые изделия, компас и порох, а намного раньше, то и научный поиск в области создания механических человечков был бы куда успешнее.

История свидетельствует, что в Древнем Китае, почти за полтора тысячелетия до нашей эры, мастер Ян Ши, прозванный «ремесленником», создал для увеселения императорской семьи механическую копию самого императора в натуральную величину. Огромная кукла могла двигаться и даже издавать некоторые звуки. Это было первое подобие искусственного создания, идея которого затем была воплощена в конструкции роботов. Механический император подсказал целое направление для умелых рук и пытливого ума. Терпеливые китайские мастера, прославившиеся не только изготовлением терракотовой армии, но и невероятно сложных изделий из слоновой кости или камней, сумели из подручных материалов – бамбука и дерева – изготовить сороку и лошадь, которые могли двигаться. До создания автомобиля и первых полетов аэроплана оставалось еще почти три тысячи лет!

Семена новых знаний (или повторение уже пройденного древними мыслителями и механиками) дали могучую поросль. И тому были весьма благоприятные условия. С развитием механики, появлением математических формул для описания физических явлений и действий появилась возможность более точного копирования движений живых существ. И в этом деле весьма преуспевали часовых дел мастера, которые много экспериментировали с разного рода устройствами.

В Италии, Франции, Германии стали появляться механизмы, сконструированные в форме животных или людей. К замечательным изобретателям эпохи Возрождения относятся работы Иуанелло Торриано. Он был придворным механиком у короля Священной Римской империи Карла V. Вместе с монархом Торриано трудился над изготовлением часовых механизмов. Доскональное знание механики позволило ему сконструировать в 1540 году женщину, играющую на мандолине. Сложные механизмы, приводные элементы, позволявшие двигаться пальцам, прятались внутри «тела» и «рук» женщины. Нарядно одетая по тогдашней моде механическая барышня потешала слушателей. Слухи о таких андроидах стали распространяться по соседним странам со скоростью звука. И у Торриано нашлись последователи.

Одно из таких знаковых имен – Пьер Жаке-Дро, швейцарский часовщик, чьи творения изумляли почтенную публику. Он создал десятки сохранившихся по сей день «автоматонов». Это были антропоморфные (человекоподобные) роботы – художник, музыкант, каллиграф. Они походили на людей, с большим прилежанием выполняли порученные каждому механические движения. Могли играть, писать и рисовать. Сложные механизмы, которые заставляли кукол двигаться, были скрыты внутри подставок.

Впервые явленные публике в 1774 году механические человечки триумфально проследовали по странам Европы, в том числе побывали и в России, где их показали царской семье в Казани.

Появление таких механических человечков порой приводило к многочисленным попыткам спекуляций и обмана почтенной публики. Известны случаи, когда в подставку, на которой была смонтирована очередная «живая» кукла, сажали ребенка или карлика. Демонстратор предлагал сразиться с куклой в шахматы. И ни о чем не догадывающиеся люди поражались умению бездушного творения вести партию. Мало кто понимал, что внутри объемной куклы сидел сильный шахматист, который видел игровое поле сквозь шелковую ткань рубашки! Но все же автоматоны будили инженерную мысль множества конструкторов.

Казалось, еще один шаг – и очередной робот (конечно, он пока так не назывался!) приступит к работе. Но слишком дорогие игрушки остались только забавой богатых людей. А настоящую промышленную революцию в Англии и Голландии совершили не роботы, а ткацкие станки и паровые машины.

Известно, что первые ткани появились у человечества около шести тысяч лет назад. Это были довольно примитивные изделия, которые выполнялись вручную. Работа ткача была очень тяжелой, и ее выполняли, в основном, мужчины. В 1785 году англичанин Эдмунд Картрайт получил патент на механический ткацкий станок. Усовершенствовав станок суконщика Джона Кея, Картрайт основал прядильную фабрику и принялся за дальнейшее совершенствование прядильных механизмов. Ткачество стало таким прибыльным делом, что не только в Англии, но и в России владельцы прядильных мануфактур становились миллионерами. Чего стоит упоминание Прохоровых или Морозовых!

А создание первой паровой машины Джеймса Уатта перевернуло взгляды на использование силы пара. Один за другим начали появляться пароходы, паровозы, паровые приводы станочного парка или локомобили, которые значительно облегчали труд сельскохозяйственного работника.

Развитие механики, усложнение знаний о природе и ее основных законах постепенно приближали инженеров к созданию роботизированных систем. И опять помощь пришла откуда не ждали.

В 1920 году знаменитый человекоподобный механизм, робот, начал свою литературную жизнь, вдохновляя многих инженеров и доморощенных кулибиных. Сам термин «робот» прижился в научно-технической среде. Его в огромном количестве стали употреблять и писатели-фантасты, и серьезные ученые, и инженеры-конструкторы. В литературе тему роботов развил американский писатель Айзек Азимов, а сборник рассказов «Я, робот» принес ему всемирную известность. Его роботизированные герои обладали многими способностями, в том числе и искусственным интеллектом, и предвосхитили многие последующие воплощения технических идей в металле. И пусть до настоящего человекоподобного механизма было еще очень далеко, роботы начали делать первые самостоятельные шаги по нашей планете.

И все же, мне кажется, особо значимым событием стал феномен школьника из Ростова-на-Дону Вадима Мацкевича.

Глава 3

Пример пионера Вадима Мацкевича

В 1936 году в Париже открылась Всемирная промышленная выставка. Советский Союз тщательно готовился к участию в ней. Было решено продемонстрировать все преимущества социализма и следствие раскрепощенной творческой инициативы народных масс.

Одним из символов созидательного труда была продемонстрирована ставшая знаменитой на весь мир скульптура «Рабочий и колхозница» Веры Мухиной. Каждому жителю нашей страны она знакома по заставке киностудии «Мосфильм», а москвичи могут увидеть ее перед входом на ВДНХ. Динамичное движение мужчины и женщины вперед, к прогрессу, не могло не вызвать фурор. Каждый день в советском павильоне было многолюдно. И здесь был еще один экспонат, который буквально вызвал ажиотаж. Им стал предмет нашего сегодняшнего разговора: робот!

Никто не мог поверить, что это механическое чудо, высотой в 120 сантиметров, управлялось по радио и могло выполнять несколько простейших движений. Робот двигал руками и ногами, частями тела. А еще меньше верили в то, что перед ними творение шестнадцатилетнего подростка!

Юным героем Всемирной выставки стал пионер Вадим Мацкевич. Кстати, его робот, названный «В2М», расшифровывался просто – «Вадим Викторович Мацкевич». На изготовление робота Вадим потратил два года, двенадцать листов дефицитного в то время нержавеющего металла и несколько импортных подшипников.

Внешне робот Мацкевича походил на рисунки художников-иллюстраторов фантастических романов. Брутальные прямоугольные формы, мощные «руки» и «ноги».

Этот механический «подросток» мог выполнить восемь команд. Но даже в таком виде первые роботы привлекали к себе внимание и множили число сторонников создания механических помощников.

Любопытна сама личность Вадима Мацкевича. Мальчик еще в раннем возрасте увлекся конструированием. Он собирал подходящие детали, постоянно мастерил то игрушки, то целые устройства. Увлекся радиоделом, которое в то время набирало массовый характер. В восемь лет он сделал радиопередвижку, которая играла в его родном Новочеркасске, а в 12 сконструировал игрушечный радиоуправляемый броневик, который мог стрелять ракетами и запускал в небо фейерверки.

Конструкторский зуд не давал Вадиму покоя. По молодости лет он решил удивить городское начальство своим изобретением. Его броневичок в один прекрасный день приехал к одному из городских учреждений и дал торжественный залп и салют. Горе-изобретателя схватили на месте преступления, привели в милицию, где мальчику пришлось долго объясняться с серьезными дядями. Он сумел доказать, что никакой он не террорист, а пытливый советский школьник, который хочет послужить во благо своей Родины.

Его убежденность и слава юного изобретателя, долетевшая до областного центра, сняла любые подозрения с Мацкевича. Но этот курьезный случай помог Вадиму Викторовичу в его дальнейшей жизни. Он сразу был принят в студию детского технического творчества в Ростове-на-Дону. Здесь он увлекся механикой, основами радиодела. Но его самой большой мечтой было сконструировать робота. Захватывающими романами жило тогда большинство детей. И Вадим буквально загорелся новой идеей. Сделал чертежи, продумал электрическую схему, которая бы оживила механического робота, и стал просить необходимые материалы. Видя настойчивость Вадима, директор студии выделила пионеру двенадцать стальных листов и несколько дефицитных в то время импортных подшипников. Итог мы уже знаем. Впоследствии военный инженер Вадим Викторович Мацкевич немало потрудился на других ответственных участках, связанных с обороноспособностью Родины. Уволился со службы в звании полковника. Вот куда иногда вывозят мальчишек игрушечные броневики…

Снимки Вадима с роботом в Париже облетели весь мир. И это подстегнуло творческих людей. Сознание множества людей было подготовлено многочисленными художественными произведениями, в которых действовали добрые или злые роботы. Механические устройства жили параллельной жизнью с человеком, иногда помогая ему, иногда враждуя. Уже тогда художественный гений предвосхищал то, что сегодня мы называем «искусственным интеллектом». И приписывали роботам уникальные свойства. Но должно было пройти свыше полувека, прежде чем робототехника смогла выйти на промышленную дорогу.

Как это нередко бывает, эстафету изготовления человекоподобных машин подхватили предприимчивые американцы. После окончания Первой мировой войны США оказались в наибольшем выигрыше. Их территория не подвергалась обстрелам и бомбардировкам, их города и промышленность не разрушались. Наоборот, размещение военных заказов в значительной степени ускорило промышленное развитие.

В 1939 году компания «Вестингауз», известная своими электротехническими и железнодорожными устройствами и механизмами, построила робота «Электро». Он мог ходить и говорить, обладая запасом в 700 слов, крутил головой и махал руками, шевелил губами и пальцами. И даже различал цвета, уверенно выбирая между красной и зеленой лампочкой.

И только в более поздние годы, с развитием вычислительной техники и появлением миниатюрных электронных компонентов, которые заменили и электронные лампы, и некоторые полупроводники, появилась возможность разрабатывать роботов, которые могли бы делать общественно полезную работу. Из примитивных механических кукол, созданных, скорее, для демонстрации публике, роботы становились непременными участниками производственных процессов. И пусть человекоподобная форма отошла на второй план, функционал этих механизмов вплотную подошел к возможностям человека.

Роботизированные механизмы оказались незаменимыми при выполнении опасных для здоровья человека работ. Первые ученые-физики, работавшие с радиоактивными элементами, увы, получили большие дозы облучения, и многие из них умерли от лучевой болезни. Чтобы максимально обезопасить такую работу, Рэймонд Гоерц, работающий в комиссии по атомной энергетике в США, в 1951 году спроектировал механический телеуправляемый манипулятор для действий с радиоактивными веществами, исключающий непосредственный контакт с ними человека.

Другим направлением в развитии робототехники стала крупная машиностроительная промышленность. Несколько лет спустя после появления манипулятора Гоерца был создан первый промышленный робот «Unimate». Он использовался для сварки и литья на заводах компании General Motors.

Глава 4

От «однорукого бандита» до шестирукого Шивы

Жаргонное название игральных автоматов «однорукие бандиты» было связано с наличием у железных ящиков с цветными экранами, установленных в казино, приводного рычага. Первое роботизированное устройство, которым можно было управлять через защищенные экраны, имело изначально одну руку-манипулятор. С ее помощью оператор мог выполнить нехитрые действия, не подвергая себя риску облучения.

Давайте проведем небольшой эксперимент. Попросите нескольких мальчишек и девчонок нарисовать робота. Более чем уверен, что это будет человекоподобный агрегат, с руками и ногами, иногда с рабочими инструментами или вооружением. У девочек это может быть робот-няня с куклой в руках. Такими и были первые изображения роботов, созданные художниками и кинематографистами на заре развития робототехники. И в этих образах нет ничего удивительного.

Человеку свойственно обучаться. Наблюдая за окружающим миром, он способен получать новые знания. Развитие мыслительных способностей позволило первобытным людям синтезировать многие знания, создавая совершенно непохожие на природные предметы, материалы, устройства. Сначала это было слепое копирование того, с чем сталкивался первобытный человек в обиходе. Когда нужны были особые орудия труда, приходилось напрягать извилины, чтобы на основе образов простых предметов создать то, что поможет в труде, на охоте, в бою. Это стало способом движения вперед, достижения задач прогресса. Мы уже упомянули об изобретении колеса – предмета, которого нет в природе, но без которого многое в развитии человечества пошло бы не так.

Роботы, безусловно, явление такого же порядка. И в первую очередь этот образ носит черты андроида – человекоподобного устройства, у которого есть руки-ноги, голова и глаза. В этом и заключен основной смысл роботостроения – создание реального помощника человека, который способен дублировать его действия. Вместе с тем, таким форм-фактором далеко не исчерпываются конструкции роботов, и в нашей книге мы постараемся проследить за конструкторской мыслью, понять, что обусловило создание того или иного вида роботов. Внешний вид обусловлен предназначением робототехники. Если это робот-воин, у него должны быть средства вооруженной борьбы и защиты. Если помощник по хозяйству – руки-манипуляторы, способные удерживать штангу пылесоса или швабру с тряпкой. А робот-сварщик или механосборщик на промышленном предприятии обязательно оснащается соответствующими инструментами.

Надо заметить, что роботизированная сварка является одним из самых распространенных применений робототехники. В автомобильной промышленности она нашла широкое применение благодаря тому, что сборочные конвейеры заводов можно легко автоматизировать, переложив рутинные производственные операции на машину. Оператору предстоит только подготовить рабочее место для робота и снабдить его расходными материалами (к примеру, электродами) и написать соответствующую программу, управляющую манипуляторами. Поточные линии конвейера и однотипность собираемых деталей упрощают автоматизацию сборочного производства автозавода. При массовом выпуске машин робототехника значительно ускоряет и удешевляет машиностроение. Отсюда и такой большой процент применения роботов.

Компания General Motors стала пионером в освоении роботизированных линий. Уже в 1969 году на автоматизированной сварочной линии было установлено 26 роботов «Unimate». Опыт их использования доказал очевидные преимущества робототехники. И уже через тридцать лет в североамериканской индустрии трудилось свыше 120000 роботов, из них около половины – сварочные роботы.

Мы из предыдущей главы увидели, что первые механические слуги или помощники имели форму и вид человека. В этом форм-факторе – человекоподобном облике робота – была зашифрована его главная функция помощника. Ведь на протяжении многих веков мастерами-ремесленниками, а впоследствии инженерами-конструкторами были разработаны сотни тысяч всевозможных инструментов, орудий труда, приспособлений, предназначенных для выполнения той или иной работы. Ручной инструмент должен удобно ложиться в ладонь специалиста. А даже тесная кабина техники позволяла бы трудиться с комфортом в любых погодных условиях.

Одним словом, все, что было создано и в доисторические времена, и в постиндустриальную эпоху, было приспособлено, в первую очередь, под определенный тип функций живого существа. С учетом его роста, длины рук и ног, иногда и веса, если речь шла о планерах или, скажем, размерах купола парашюта, скафандра для водолаза, космонавта. Эти измерения и легли в основу определенных стандартов, которые учитывались при проектировании не только орудий труда, но и автомобилей, кабины самолета, космического корабля. А разве помощник не должен быть похожим на того, кому призван служить?

Знаменитый греческий философ Аристотель, наблюдая за современным ему обществом, вывел известную формулу «Город – единство непохожих». Такое определение как нельзя кстати подходит и под определение огромного отряда роботов. Все они представляют единое сообщество, а вот внешний вид, размеры, функции существенно отличаются. И далеко не всегда человекоподобие является лучшим конструктивным решением для робототехники. Есть множество наглядных примеров, которые доказывают этот тезис. Начать, пожалуй, стоит издалека.

Вселенная роботов, а именно так можно назвать механические устройства, призванные заменить труд человека в самых разных отраслях и сферах жизнедеятельности, распространяется не только на объекты на Земле, но и в ближнем космосе. Межпланетные станции и научные зонды отправлены космическими агентствами для изучения ближнего и дальнего космоса, планет Солнечной системы и в другие галактики. Они рассчитаны на многолетнюю работу в отрыве от Земли. В автоматическом режиме исследуют космические излучения, приближаясь к планетам нашей Солнечной системы, делают фотоснимки в различных спектрах, а полученные результаты пересылают на Землю. Три ведущие космические державы – Советский Союз, а затем Россия, Соединенные Штаты Америки и Китай – уже на протяжении нескольких десятилетий отправляют далеко за пределы орбиты нашей планеты исследовательские зонды и межпланетные станции. Все они, безусловно, относятся к семейству роботов, поскольку способны выполнять свои функции в автоматическом режиме. Для такой работы были разработаны уникальные устройства.

Во время работы первой Всероссийской школы по искусственному интеллекту и большим данным, которая проводилась в Национальном центре физики и математики в Сарове, мы познакомились с академиком Игорем Каляевым. Игорь Анатольевич – личность хорошо известная в научных кругах не только России, но и мира. Сфера его научно-технических интересов выходит далеко за рамки проблематики искусственного интеллекта и извлечения новых знаний при помощи нейросетей. В далекие годы, когда в Советском Союзе разрабатывалась программа марсианских исследований, он принимал самое непосредственное участие в создании «марсохода», автоматического устройства, способного передвигаться по поверхности Красной планеты и собирать научный материал о химическом составе и механических свойствах ее грунта. Собранные данные затем в агрегированном виде должны были передаваться на Землю.

Расстояние между планетами составляет громадную величину, поэтому робот-марсоход должен быть полностью автономным. Управленческие команды между Центром управления полетами и марсоходом могли преодолевать космическое пространство от нескольких десятков до сотен секунд. В этом случае управление роботом было затруднено. К тому же, никто не мог знать, какая поверхность у четвертой планеты Солнечной системы. И марсоход сделали… шагающим, как бывают шагающие экскаваторы для громадных рудных карьеров. Устойчивые «ноги-опоры» поднимали тело робота над поверхностью и перемещали его вперед или назад. Программное обеспечение и исполнительные механизмы для управления роботом и разрабатывал Игорь Каляев.

Мы пообщались на темы робототехники. Игорь Анатольевич рассказал, насколько сложными и технологичными стали современные роботы, как удается загрузить их электронный мозг программным обеспечением, насколько приблизились автоматические аппараты к живой материи и человеческому интеллекту.

Но для этого роботам нужно было пройти значительную эволюцию – от примитивного робота ростовского мальчишки Вадима Мацкевича до современных бионических роботов, сочетающих механические приводы и органические материалы, свойственные живой природе.

Для человека робот должен стать эффективным помощником. И заменять его в труде. Именно такую мысль вывел Карел Чапек в своей фантастической пьесе. И чаяния человечества сбылись. В настоящее время промышленные роботы применяются практически во всех отраслях промышленности. В развитых странах уже выросло целое поколению людей, которое не видело производства без роботов. Их история насчитывает уже более трех четвертей века.

Интересно, что руководство России уделяет внедрению промышленных робототехнических систем огромное внимание. Связано это, в первую очередь, со стремлением повысить производительность труда. Людские ресурсы, особенно высококвалифицированные рабочие, являются определяющим фактором развития любого производства.

С таким подходом мне довелось познакомиться на одном из старейших российских предприятий – знаменитых Ижорских заводах, основанных еще в 1722 году Петром Великим. Тогда на лесопильне, принадлежавшей Александру Меньшикову, построили завод, который обслуживал нужды Адмиралтейства. За триста лет ижорцы несколько раз меняли профиль предприятия, но неизменным оставалось стремление давать продукцию самого высокого качества. Сегодня заводы принадлежат госкорпорации «Росатом». Для атомной энергетики и нефтегазового комплекса страны здесь изготавливают высокотехнологичную продукцию. И это является объяснением, почему даже рабочие, управляющие рядом сложных роботизированных станков, имеют высшее инженерное образование.

Для роботизированных производственных линий ключевое значение имеет не квалификация рабочих, а компетенция инженеров-технологов, которые разделяют процесс на элементы и обучают умную технику. В управляющие компьютеры задания поступают прямо из проектного бюро. И операторы только следят за ходом работы на экране монитора, куда выводится вся информацию о производстве продукции.

В развитых странах на 10000 рабочих мест приходится 1000 промышленных роботов. И первую строчку рейтинга с такими показателями занимает Южная Корея. На втором месте – крошечный (по меркам других стран) Сингапур. Здесь 670 роботов на то же количество работающих. Следом идут Япония (399) и Германия (397).

Именно на лидеров роботизации призывает ориентироваться президент России Владимир Путин. Как это сделать?

Достаточно посмотреть на опыт нашего восточного соседа – Китая. Вторая по мощности экономика мира на протяжении последних 10–15 лет вкладывает огромные средства в роботизацию. Китайцы автоматизируют все, что поддается автоматизации. Одним из примеров создания предприятий с нуля по самым высоким технологическим требованиям является завод, принадлежащий бренду Haier, на котором будут собирать стиральные и стирально-сушильные машины премиального бренда Casarte. В цехах завода, который выпускает в год 2 миллиона машин, практически нет людей. Все операции переложены на плечи, точнее, манипуляторы, роботов. И они работают, как слесари высшей квалификации!

Китай сегодня – самая населенная страна мира. Казалось бы, трудовых ресурсов в избытке, китайцы очень дисциплинированные работники. Именно это их качество привело к тому, что страна за несколько десятилетий стала мировой фабрикой высоких технологий. И все же роботы приходят в цеха, обеспечивая круглосуточную безостановочную работу сборочных конвейеров. И китайская производственная марка все больше отдаляется от понятия «китайский ширпотреб». Роботы делают свою высшую миссию безукоризненно!

Глава 5

Промышленные роботы шагают по планете

Первый промышленный робот был создан изобрета-телем самоучкой Джорджем Деволом в 1959 году. Робот весил две тонны и управлялся программой, записанной на магнитном барабане. Создатели использовали гидравлические приводы, а точность манипулятора составляла 0,254 мм. В результате был оформлен патент США № 2988237 и затем основана компания Unimation.

Именно Unimation Джорджа Девола принято считать родоначальником роботостроения. Два года спустя первый промышленный робот смонтировала на своих конвейерах на производственной линии автомобилестроительная компания завода General Motors, штат Нью-Джерси. Робот был задействован в процессах перемещения изделий при производстве кулис для переключения передач, а также оконных ручек. Себестоимость технологии составляла около 65 000$, но Unimation продала его всего за 18 000$. Управляющая программа была записана на магнитном барабане, вес которого составлял 1814 кг. Несмотря на все сложности с новой техникой, роботизированные линии вскоре начали внедряться повсеместно.

Что же поспособствовало внедрению в производство промышленных роботов? Отойдем примерно на полвека назад. Первого декабря 1913 года на заводе Ford в Highland Park был запущен в работу первый в мире конвейер по сборке автомобилей. Талантливый инженер, создавший впоследствии целую автомобилестроительную империю Генри Форд, любовался своим детищем. На подвижном конвейере медленно двигались остовы машин. А рабочие на своих местах ставили на них один за другим агрегаты, пока готовая машина не покидала цех.

Использование конвейера превратило производство в создание массового продукта. Резкое удешевление автомобиля превратило его из роскоши в средство передвижения, что вошло даже в рекламные слоганы.

Будем справедливыми, автопромышленник не был пионером в применении конвейера. Устройства для порционной подачи материалов или воды были известны еще во времена Древнего Египта, Индии и Китая. В более поздние времена тележки, подвешенные на монорельсе, устанавливали в рудниках и на шахтах, на некоторых производствах. На скотобойнях вместо вагонеток под потолком двигались крюки, на которых подвешивали туши животных, и работники умело разделывали их.

До компании «Форд» прообраз конвейера был установлен на другом производстве автомобилей – на заводе Рэнса Эли Олдса при производстве модели Oldsmobile Curved Dash еще в 1901 году.

Но в чем же тогда феноменальная заслуга Генри Форда?

В том, что инженер впервые разбил технологию сборки машины на большое число последовательных и довольно примитивных операций. Движущийся конвейер проходил мимо участков, где были сосредоточены те или иные детали. Их было немного, и каждый рабочий выполнял лишь пару движений. Это было несложно, с такой работой мог справиться даже не очень квалифицированный сборщик. Производительность труда выросла многократно, что позволило сделать выпуск автомашин действительно массовым и дешевым. Если «тупиковая» (стапельная) сборка машины занимала несколько недель, то с применением нововведения это время сократилось до двух дней!

За General Motors подтянулся другой автомобильный гигант – завод Ford. В 1962 году на заводе в Гуанчжоу, США, установили 6 роботов Versatran от компании AMF (American Machines Foundry). В Европе первый промышленный робот был установлен на металлургическом предприятии – Uppsland Väsby, Швеция – в 1967 году. А год спустя совершилась небольшая революция в роботостроении – был создан первый промышленный робот-манипулятор, аналогичный человеческой руке.

Перед производственниками был открыт новый простор, ведь оснащенные манипуляторами роботы могли выполнять уже совершенно «человеческие» операции. Так, например, оснащение руки сварочным электродом позволяло выполнять сварочные работы. И хотя до современных автоматизированных линий было еще далеко, роботы-сварщики быстро завоевали рабочее место на сборочном конвейере.

Внедрение роботов Unimation для автоматизации контактной сварки на предприятии General Motors, США, позволило увеличить общую производительность завода, а также значительно сократить тяжелую и опасную работу людей. И в этом году в исследовательском институте в Стэнфорде создали первый образец того оборудования, которое мы сегодня называем техническим зрением. Это открывало новые рабочие горизонты перед робототехникой.

Старушка Европа старалась не отставать от инженеров Нового Света. Норвежская корпорация Trallfa в 1969 году разработала первые промышленные покрасочные роботы для собственного потребления.

Основным толчком для развития этого направления послужила нехватка рабочей силы. (Немного позже мы расскажем о других примерах применения роботов в очистке, грунтовке и покраске деталей, а пока ограничимся лишь констатацией, что механические помощники помимо сварных дел освоили и новую рабочую специальность).

Те, кто следит за историей наиболее развитых стран мира, не могут обойти вниманием так называемое «индустриальное чудо» Японии.

Автомобиле- и судостроение, радиоэлектроника получили быстрый импульс благодаря внедрению промышленных роботов. Компания Unimation подписывает соглашение с Японской корпорацией Kawasaki Heavy Industries, чтобы производить и продавать промышленных роботов на азиатских рынках. Именно Kawasaki принято считать пионером Японии в области робототехники. В 1969 году Kawasaki выпустила первый промышленный робот, когда‐либо созданный в Японии. Робот назывался Unimate Kawasaki 2000.

И тут, как говорится, понеслось. Уже в следующем году компания Hitachi (Япония) создала интеллектуальное техническое зрение. Робот впервые смог определять габариты изделий и место их расположения.

Доминирование компании Unimate на рынке промышленных роботов длилось недолго. Идеи промышленного роботостроения подтолкнули инженерную мысль во многих странах находить собственные пути развития многоруких помощников рабочих.

В 1973 году KUKA разрывает соглашение об использовании роботов Unimate и приступает к разработке собственных роботов. Промышленный робот KUKA Famulus, был первым в мире шести-осевым манипулятором с применением электропривода для всех осей. Возможности «шестирукого Шивы» из мира механических автоматов позволяли делать производственный процесс более совершенным.

И в этом же году ученый из Стенфорда профессор Шейман разработал Stanford arm – роботизированную руку. Управление данным роботом осуществлялось с помощью мини-ЭВМ. Робот использовал датчики касания и сенсоры обратного давления и был предназначен для сборки небольших изделий. Очередной переворот в управлении роботизированными системами был сделан в 1974 году, когда по заказу компании Cincinnati Milacron Corporation был создан первый в мире промышленный робот, программируемый контроллером. Робот был назван T3.

Эра промышленных роботов наступила! И пусть они были самых разных конструкций, функционал автоматических помощников человека постоянно расширялся. Усложнялась и облегчалась конструкция. Появлялись новые приводы и контроллеры для управления роботами. Все более тонкие задания мог поручить человек роботу.

В России сварочные роботы используются не только в автомобильной промышленности. На знаменитом Ижорском заводе, расположенном в Санкт-Петербурге, который входит в состав концерна «Росатом», на ответственных участках сварочно-сборочного цеха используются роботизированные аппараты. В отличие от самого опытного электросварщика, робот с высокой точностью удерживает электрическую дугу, что обеспечивает высокое качество шва, равномерность наплавляемого металла, а значит, и качество готового изделия. Учитывая тот факт, что ижорцы делают реакторы для атомных электростанций и высокотехнологичные сосуды для нефтеперерабатывающих заводов, использование сварочных комплексов дает ощутимый экономический эффект.

Как же устроен робот-сварщик? Как и для человека, механическому устройству нужны подвижные «руки»-манипуляторы, вооруженные сварочным оборудованием. И если человек на глазок приближает электрод к свариваемым деталям, то робот задействует устройство управления и автоматические измерительные устройства.

Это позволяет манипулятору двигаться в пяти-шести степенях подвижности и обрабатывать даже детали со сложной геометрией. Помогает роботу искусственный «глаз» – лазерный дальномер, способный делать измерения буквально в доли миллиметра – величины, недоступные для человеческой руки. Поэтому наиболее ответственные манипуляции на оборудовании доверяют именно роботизированному сварщику. Человеку остается только выполнить инструментальный контроль сварного шва.

Сегодня многие компании производят оборудование для автоматизации производства. В его число входят и станки с числовым программным управлением, которые могут не только сваривать металл, но и сверлить технологические отверстия с высокой точностью и скоростью, разрезать при помощи лазера заготовки, выполнять гибку металла.

Но, конечно, львиная доля роботов используется там, где человеческие руки не в силах выполнять тонкую и ответственную работу. Например, в радиоэлектронике или при изготовлении печатных плат.

В последнее время по телевизору (а москвичи могли видеть эти кадры на мониторах, установленных в салонах вагонов метро или общественном транспорте) можно понаблюдать, как на Зеленоградском заводе производят знаменитые карты «Тройка». Все тончайшие операции делают роботы – от печати микросхем до закатки карты в особый защитный пластик и нанесение рисунка.

Канули в Лету времена, когда радиолюбитель сидел часами с паяльником в руках, собирая схему транзисторного приемника. Миниатюризация транзисторов, сопротивлений и других деталей практически лишает человека возможности выполнять их монтаж и пайку. Даже в сильную лупу место сборки не удается разглядеть. А ведь надо куда‐то нацелиться паяльником! Капля припоя в несколько раз больше, чем детали на печатной плате современного компьютера или смартфона. Робот для ультразвуковой сварки, состоящий из генератора ультразвука, волновода и сварочной иглы, с легкостью делает эти операции.

В рабочем вихре мы видим только руку-манипулятор, которая расставляет на печатной плате детали, и огоньки сварки. Тем, кому доводилось видеть внутренности компьютера, сотовых телефонов или планшетов, известно, сколь мелкие детали размещены на материнской плате, какого размера процессор, в составе которого тысячи транзисторов! И вся эта миниатюризация стала возможной исключительно благодаря умелым рукам роботов.

Мы в следующих главках обязательно узнаем о роботах все самое интересное, а пока усвоим жизненно важное правило робототехники: робот не должен причинить вред человеку! А помогать в труде – его самое главное предназначение!

Глава 6

Вкалывают роботы – счастлив человек!

В свое время одним из самых любимых детских кинофильмов стал сериал о приключениях Электроника – автоматического двойника обыкновенного московского школьника Сережи Сыроежкина. В этой фантастической ленте воплотилась мечта, пожалуй, каждого ребенка – иметь двойника, который вместо тебя может ходить в школу, побеждать в спортивных соревнованиях и на ответственных олимпиадах по разным предметам. И никаких плохих оценок в дневнике!

Помните?

«До чего дошел прогресс

До невиданных чудес.

Позабыты хлопоты,

Остановлен бег.

Вкалывают роботы, а не человек!»

Но для этого ли были изобретены роботы?!

В конце минувшего года мне довелось побывать на Мытищинском вагоностроительном заводе, где выпускают знаменитые поезда столичной подземки. Как раз в это время заводчане завершали работы над новым поездом, который должен был выйти на одну из самых протяженных магистралей – Горьковско-Замоскворецкую линию. В марте 2024 года мэр столицы Сергей Собянин открыл движение и представил москвичам новый поезд – «Москва 2024».

А пока в заготовительном цехе вовсю вкалывали роботы – станки для лазерной резки и сварки деталей. О ходе работы можно было понаблюдать либо через специальное окошко, либо на мониторе компьютера, который управлял роботом. Работу, которую раньше могли выполнить только рабочие высокой квалификации, сегодня делал робот. И делал это быстрее, технологичнее и экологичнее, поскольку все выполнялось внутри особой сварочной камеры, из которой дым выводился через систему фильтров.

Таких роботизированных производств по всей стране множество. Как справедливо отметил президент Владимир Путин, автоматизация и роботизация промышленных предприятий – это путь к повышению производительности труда и улучшение качества выпускаемой продукции. Ведь роботизированные комплексы не только могут работать сутками без перерывов и выходных, но и благодаря современной оснастке инструментами для них не существует задач большой сложности. Инженеры-технологи научились разбивать сборочный процесс на множество простых операций, большинство из которых доступны робототехнике при предварительном глубинном обучении. Оснащение промышленных роботов не только множеством манипуляторов, но и устройствами технического зрения, вибрационными датчиками, позволили вывести технику на более высокий уровень. Мы выше упомянули о первых роботах и точности в десятые доли миллиметров, которую они могли достигать. Сегодня установки на производстве печатных плат для электронных устройств работают с точностью до нескольких нанометров, монтируя на одном квадратном сантиметре до нескольких десятков тысяч транзисторов! А робот-хирург способен работать с нервными волокнами, рассмотреть которые можно только в электронный микроскоп!

В 2006 году японские инженеры сумели создать Motoman, первого человекоподобного робота с 13 осями. Данный робот очень хорошо проявил себя в операциях по сборке изделий, имитируя движения реального человека. Высокая подвижность манипуляторов обеспечивала выполнение даже очень тонких операций.

Хотя бывают и стальные гиганты, которым по плечу нежные чувства.

Норвежская компания Robotic Drilling Systems AS (RDS), которая занимается разработкой оборудования для добычи нефти, сконструировала двух промышленных роботов, которые могут самостоятельно выполнять весь комплекс работ. Бурить скважины и менять бурильный инструмент, подавать в ствол скважины металлические трубы для извлечения черного золота. У робота-бурильщика манипуляторы имеют семь управляющих осей с грузоподъемностью до 1500 килограмм. Внешне робот напоминает перекормленного толстяка, но это обманчивое впечатление. Руки робота способны на выполнение очень тонкой работы, при необходимости они могут продеть нитку в обыкновенную швейную иголку. Любопытный факт. Когда открывали производственную линию с роботами-бурильщиками, машина элегантно преподнесла женщине-мэру города Ставангер букет цветов, чем вызвала восторг у присутствующих на торжественной церемонии.

И пути совершенствования робототехники на этом не заканчиваются. Недавно прошло сообщение, что германский автоконцерн Mercedes-Benz проводит на заводе в Венгрии испытания человекоподобных роботов Apollo. Они созданы американской компании Apptronik.

Роботы ростом около 170 см и весом порядка 73 кг могут поднимать вес до 25 кг. Их будут использовать для доставки компонентов на сборочные линии и проверки качества. Mercedes-Benz планирует, что роботы будут выполнять «физически тяжелые, повторяющиеся, нудные задачи, для которых все сложнее найти надежных работников». Это один из первых случаев применения человекоподобных роботов в автомобильной промышленности. Такие роботы могут передвигаться в местах, рассчитанных на людей, и поэтому позволяют автоматизировать производство без дорогостоящей реконструкции предприятий.

Директор Mercedes по производству Йорг Бурцер заявил, что роботы не заменят весь производственный персонал, и показал видео, на котором один из работников пожимает руку своему новому механическому коллеге. «Для тех автомобилей, которые мы выпускаем, нужны работники, первоклассные работники, которым по плечу вся сложность сопутствующих задач и которые могут сделать эти замечательные машины», – отметил Бурцер. Mercedes-Benz и Apptronik также намерены работать над использованием этих роботов для других целей.

Ранее глава компании Tesla Илон Маск опубликовал видеоролик с человекоподобными роботами Optimus, которые осторожно передвигаются по заводу и выполняют простые задачи.

Как тут не вспомнить один из фильмов Чарли Чаплина, в котором герой попадает на современное производство с заводским конвейером. Проработав на монотонных операциях, человек машинально начинает вместо фрикаделек отправлять в рот гайки и болты… Роботу никакая монотонная работа не вредит, он будет работать до тех пор, пока на исполнительные механизмы подается электроэнергия.

Сегодня многие компании предлагают десятки разновидностей роботизированных установок. Как правило, это рабочие лошадки, которые призваны выполнять рутинную, но очень ответственную работу. Мне довелось увидеть, как работают роботы компании «Простор». Руки-манипуляторы могут не только использовать сварочные держатели, но и самостоятельно поворачивают станину, на которой закреплена рама будущего вагона. И по специальной программе робот-сварщик проваривает все швы в нескольких проекциях. Человеку пришлось бы изрядно изворачиваться, чтобы работать с вертикальными и горизонтальными поверхностями.

То же касается и сверлильно-фрезерных станков с ЧПУ, на которых компьютерная программа управляет и движением манипуляторов и двигает массивную деталь, позволяя обрабатывать протяженные детали длиной до десяти метров и более. Соединенные с управляющим компьютером, такие станки-роботы могут «читать» с листа самые сложные чертежи, выполненные в таких программах, как АВТОКАД (AutoCAD), что позволяет в разы сокращать время на выполнение рабочих операций и ускорить выпуск продукции.

Но как бездушная машина может увидеть и осязать и рабочий инструмент, и производимую продукцию?!

Глава 7

Подсмотрено у природы

Создание робототехники – сложная и трудоемкая сфера деятельности. Для того чтобы промышленный робот обладал функциями квалифицированного рабочего, ему необходим целый ряд качеств, присущих человеку. Прежде всего, неких устройств, которые могли бы имитировать зрение, тактильные рецепторы, дальномер, слух и многое другое. Мы уже упомянули об этапах внедрения ряда таких устройств. Стоит заметить, что в последние годы техническое оснащение роботов существенно обогатилось. И на помощь призывают даже искусственный интеллект. О нем речь пойдет чуть ниже, а пока усвоим несколько важных принципов.

Для разработки уникальных помощников человека сегодня требуются не только знания механики, но и многочисленные открытия фундаментальной и прикладной науки. Синергия нескольких направлений дает поразительные результаты.

Для того, чтобы понять, какие принципы используются при конструировании роботов, давайте сошлемся на опыт одного из научных институтов Академии наук России. Академик Феликс Черноусько, директор Института проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, много лет занимается проблемами механизмов различных образцов робототехники. И андроиды, и промышленные роботы, и миниатюрные устройства, предназначенные для особых случаев, скажем, для применения в медицине или диагностике разнообразных объектов, были предметом его научного интереса. Феликс Леонидович вообще весьма скептически относится к человекоподобию роботов. И причина здесь не в боязни конкуренции со стороны машинного сообщества. Элементарные сравнения человека и животного очень часто показывают уязвимость людей перед силами природы или обстоятельствами. Достаточно посмотреть на «человека прямоходящего» (или распрямленного, в латинском выражении «Homo erectus») и любого четвероногого. Площадь ступни человека всего пара десятков квадратных сантиметров. Этого явно недостаточно, чтобы устойчиво удерживать тело в вертикальном положении. К тому же на столь маленькую площадь опирается тело. У толстых людей, как правило, нарушаются кости стопы, растягиваются связки, возникает целый ряд заболеваний.

Две ноги – не самый устойчивый механизм. В качестве наглядного примера академик приводит треногу. В таком виде делают устойчивые стулья, на треногах стоят многие измерительные приборы – теодолиты, дальномеры. Такие же штативы используют фотографы для установки павильонных камер или при съемке тяжелыми фотокамерами на плэнере.

В предыдущей главе мы рассказали о шагающих человекоподобных роботах на промышленных предприятиях. Ходячие помощники передвигаются с осторожностью, а вес груза, который они могут нести, не превышает двадцати килограммов. К тому же, из-за высокого расположения центра тяжести робота, ему нужен сложный аппарат для позиционирования в пространстве. Неслучайно китайские инженеры создали робота-собаку, который вышагивает на четырех тонких ножках. А андроиды чаще всего имеют утолщенную нижнюю часть, на которой вместо ног смонтированы колесики. Таких роботов многие уже видели воочию на нескольких выставках и международных форумах, где умные устройства помогали посетителям. При необходимости они легко катились из павильона в павильон, благо везде был ровный пол.

А как поступать в том случае, если движению робота препятствуют пересеченная местность или неблагоприятные погодные условия? Вот живая картинка, свидетелем которой стала моя дочь. Она шла с работы по заснеженному тротуару и увидела, как робот-доставщик Яндекса буквально забуксовал в снежной каше. Маленькие колесики тщетно пытались выбраться из западни. Дочь вытолкала автоматического курьера из сугроба, и он покатил дальше по своему маршруту.

Для таких случаев у ученых есть свои оригинальные решения, подсмотренные у живой природы.

Академик Феликс Леонидович Черноусько рассказал о наблюдениях за передвижением рептилий, в данном случае, змей. Не имея ни ног, ни колес, змея, тем не менее, достаточно быстро передвигается не только по земле, но и в густой траве, в пустыне, по каменистым участкам в горах, а иногда и ползет по веткам деревьев. Оказалось, рептилиям помогает сухое трение.

Ученые и конструкторы, используя эффект, которым природа наделила змею, создали ряд устройств, способных двигаться по различным поверхностям. Они могут передвигаться там, где ни шагающей, ни колесной машине не пройти. Им по плечу, вернее, по ногам, и крутые подъемы, и пересеченная местность. Такие машины просто незаменимы для целого ряда профессий, чья производственная деятельность проходит в суровых условиях гористой или песчаной местности, в заснеженной тундре или заболоченной тайге…

Насколько это актуально для нашей необъятной страны, становится понятно, если обратить внимание на местности, в которых сейчас добывают углеводороды, – нефть и природный газ. Новые месторождения открывают на Крайнем Севере, а это очень неблагоприятные условия для проживания и промышленной деятельности человека. Труднодоступные районы могут быть легко покорены роботами, сконструированными с учетом секретов живой природы. В свое время в рудных карьерах трудились мощные шагающие экскаваторы. Сегодня этот принцип движения используют некоторые образцы роботов. О них мы расскажем чуть ниже, а пока продолжим знакомство с секретами, которые иногда тщательно прячет природа.

Ученый поделился и еще одним феноменом из области механики. Его может проделать любой желающий. Если сесть на стул или в кресло, при этом поднять ноги, то, раскачиваясь, можно сдвинуть мебель. Перенос центра тяжести легко описать математическими формулами, а значит, и воплотить в прикладном виде. Этот принцип механики стали использовать, сконструировав виброробота.

Так детская забава вызвала у ученых мужей далеко не праздный интерес и позволила сконструировать роботов, которые могут двигаться в… трубах. Мы привыкли к тому, что водопроводные трубы или нефтяные и газовые магистрали могут служить десятилетия и с ними ничего не происходит. На самом деле текущая жидкость наносит механические повреждения, вода может вызвать коррозию, а агрессивные жидкости вообще разрушить трубу и вылиться наружу, нанося вред окружающей среде. А крошечный робот, оснащенный несколькими датчиками, уверенно движется по трубопроводу, анализируя его состояние. Проводит инспекцию, обнаруживает повреждения, производит ремонт. В научном институте РАН создали целое семейство роботов – от довольно крупных, которые могут изгибаться, как черви, до крошечных, в форме цилиндров. Простейшие из них движутся только в одном направлении, более совершенные модификации способны двигаться в оба конца, а последняя на сегодня разработка умеет фиксироваться в нужном месте и производить ту или иную работу.

Конечно, все программы для работы роботизированной техники написаны программистами, и контроль за выполнением операций на месторождении осуществляется квалифицированным специалистом-нефтяником, но факт использования робототехники уже имеется.

В предыдущей главе было рассказано о многих семействах роботов. И почти всегда это были, скорее, станки, чем человекообразное существо. Так ли важна человекоподобная форма для робототехники? Ученые и инженеры, занимающиеся разработкой робототехнических систем, заявляют о том, что человеческий облик для робота будет скорее помехой, чем надежно функционирующим механизмом. И причин здесь немало.

Рассмотрим тело человека. Две руки и две ноги – слишком мало для выполнения работы. Если бы слесарю или столяру можно было выбирать, он бы согласился иметь четыре, шесть или даже больше рук. У индийцев есть шестирукое божество Шива! В каждой руке можно было бы держать свой инструмент, отпала бы надобность в помощи подмастерья. Две ноги – тоже не самый удобный способ передвигаться. Человек идет, по сути, падая, перенося вес и центр тяжести с одной ноги на другую. Поэтому хорошо освоенная нами смена ног при ходьбе это всего лишь попытка предотвратить падение. Малая площадь ступни также служит весьма ненадежной опорой.

Теперь посмотрим в глаза друг другу. Яркий свет или, наоборот, кромешная темнота лишают человека зрения. Мы привыкли использовать так называемый белый свет. Точнее, широкий диапазон света от самых нижних пределов – теплотворных инфракрасных лучей – до жесткого холодного ультрафиолета. И большинство информации об окружающей среде мы получаем именно при помощи глаз. Цвет, вид предмета могут нам многое рассказать о нем. Ярко-зеленая листва бывает ранней весной и в начале лета, осень – это буйство оранжево-красных тонов. Можно с легкостью определить пору года.

Человек становится в темноте беспомощным. А животные, ведущие ночной образ жизни, те же привычные нам кошки, обладают способностью видеть не только днем, но и ночью. В отличие от одушевленных, роботы выгодно отличаются от них. Они могут быть наделены системами ночного видения, различать предметы не только в видимом спектре, но и в инфракрасном или ультрафиолетовом свете. Лазерные дальномеры укажут точное расстояние до предметов. Такой богатый арсенал технических средств позволяет выполнять работу, непосильную для человека в обычных условиях. Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли делают снимки в широком спектре с высоты в сотню километров, что позволяет выявлять развитие опасных явлений, скажем, оползней или подвижек грунтов, сползание ледников и формирование айсбергов.

То же самое происходит и со слухом. Диапазон восприятия звуков человеком ограничен частотами в 20–20000 герц. Эти величины указаны на многих электронных устройствах, наушниках, звуковых колонках. А некоторые животные могут слышать и инфразвуки, и ультразвук. Летучая мышь при помощи ультразвукового локатора ориентируется в любом пространстве, а мотылек платяной моли уходит от наших ладоней…

А вот роботы, если они используются для звуковой фиксации событий, вооружены значительно качественнее человека. Механическое «ухо» может слышать лучше, чем созданное природой. Причем частотный диапазон у них намного шире. Такие роботизированные установки широко используются при создании так называемой «умной» техники. В обиход уже вошло, скажем, понятие «умный локомотив» или «умный вагон». Такой термин означает, что в технику встраиваются датчики, например, с функциями виброакустики. Во время работы двигательной установки они чутко вслушиваются в рабочий гул и по малейшим отклонениям определяют биение или опасную вибрацию агрегата. И тут же в бортовой компьютер поступают соответствующие сигналы. Компьютер, прошедший глубинное обучение (deep learning), сразу анализирует сигнал и определяет степень опасности. При незначительных отклонениях будет просто выдана команда для ремонтной бригады, а в критической ситуации – двигатель будет остановлен.

Если брать железнодорожную технику, чья работа напрямую связана с безопасностью перевозки пассажиров или грузов, то умная техника служит дополнительной гарантией безаварийной эксплуатации.

Это лишь один пример. А на поездах монтируются устройства, которые могут не только следить за состоянием самого подвижного состава, но и железнодорожной инфраструктуры. Они следят и за состоянием пути, и за целостностью и нагревом контактной сети на электрифицированных участках, и за устройствами железнодорожной автоматики и сигнализации. И пусть такие роботизированные устройства менее всего напоминают человекообразное создание, они и есть самые настоящие роботы.

Так получилось, что мне довелось хорошо изучить работу железной дороги. В свое время я работал помощником машиниста тепловоза, сам водил поезда. Затем трудился в отраслевой газете «Гудок», и свыше десяти лет – в научно-исследовательском институте, который и занимался многие вопросами создания «умной» техники и технологий. Поэтому одна из главок о робототехнике и будет посвящена устройствам, которые коренным образом меняют привычную профессию железнодорожника.

А пока возвратимся к человеку и таким качествам, которые у него заимствует робот.

Ограниченность человека, как считают многие ученые, по сравнению с более примитивными созданиями живой природы, вынуждают инженеров и конструкторов придавать роботам наиболее оптимальную для их функций форму. И далеко не всегда андрогинную!

Некоторые из вас, прочитав все это, скажут: так что, долой робота-андроида?! Не будем торопиться с таким поспешным выводом! Ученые, помимо вибророботов, большое внимание уделили шагающим роботам. Такие роботы способны, например, перемещаться в тех случаях, когда невозможно использование колёс или гусениц, – в условиях тундры или при риске повредить хрупкую поверхность, на неровной либо топкой почве. Шагающие роботы, обладая большими стопами, могут, не повреждая поверхность, выполнять разнообразные операции в лесу или на болоте.

Робот-андроид может использоваться там, где требуются функции человека. Если важно, чтобы искусный помощник походил на человека – он будет иметь привычную для нашего глаза форму. Именно таких роботов можно увидеть на промышленных выставках. Они выполняют роль регистратора, информатора, сопровождающего гида. Часто такие автоматические создания обладают человеческой мимикой, что многими воспринимается как само собой разумеющееся. В некоторых медицинских клиниках используют человекоподобных роботов в качестве сестры-сиделки. И это вполне понятно: кому охота у больничной койки увидеть устройство, похожее на стоматологическую бормашину или многорукий сверлильный станок?

Мы еще коснемся вопросов человекоподобия и рассмотрим несколько примеров, когда понадобилось не просто скопировать внешность, но и придать роботу черты красавицы. А пока отметим лишь то обстоятельство, что мы привыкли видеть рядом с собою себе подобных. Так привычнее, и так устроена человеческая цивилизация. Наверное, в будущем наступит время, когда бионические роботы, сочетающие живую и неживую материю, будут существовать рядом с Homo sapiens – человеком разумным. Этому посвящены десятки научно-фантастических произведений. В них отражена и надежда человечества обрести свободу от рабочей рутины, и обоснованные страхи перед возможным порабощением армией роботов, вооруженными искусственным интеллектом.

В последнее время все чаще поступают сообщения об успешно проведенных экспериментах о создании биопротезов, которые могут полностью заменить отсутствующие органы человека. Казалось бы, вот она, универсальная возможность скопировать себе надежного, умелого и неутомимого помощника. Неотличимого от самого человека. И появляются протезы, которые не отличить от настоящих рук и ног. При помощи специального оборудования, надеваемого на человека или вживляемого непосредственно в мозг, удается работать протезами, как обычными руками. Несколько лет назад во многих странах были созданы мощные экзо-скелеты, с помощью которых работник может переносить грузы весом в несколько сотен килограмм. И пусть это не робот в его привычном виде, но это устройство, значительно облегчающее труд человека.

Программы, распознающие и синтезирующие речь, давно стали привычным атрибутом даже в мобильных телефонах. Голосовые помощники, такие как Алиса, разработанная компанией «Яндекс», или умные колонки Сбера, могут слышать нашу речь и логично отвечать на задаваемые вопросы. Очень часто именно речевые технологии служат шлюзом, который позволяет загружать в искусственный интеллект программы или исполнительные команды. Это приближает машины к человеку, но роботов, абсолютных двойников людей, еще ни одна компания не создала.

Глава 8

На пыльных тропинках далеких планет

Вековая мечта человека – полететь к далеким звездам – осуществилась благодаря калужскому мечтателю Константину Эдуардовичу Циолковскому. Он вывел математическую формулу необходимого ускорения для вывода на околоземную орбиту космического аппарата. Сергей Павлович Королев в тридцатые годы прошлого столетия, летая на планере в районе Коктебеля, мечтал о том, чтобы сконструировать аппарат, который преодолеет земное тяготение и понесет его в неизведанное. Но первым вокруг земного шара облетел Юрий Гагарин. На корабле, который сконструировал Королев! И осуществилось это 12 апреля 1961 года.

Началась космическая эра.

До Гагарина в космос были отправлены несколько искусственных спутников Земли, животные и уже затем человек. Слишком неизвестной была обстановка там, в верхних слоях атмосферы. И многочисленные автоматические станции проводили десятки исследований, собирая бесценную информацию о невесомости, радиационной обстановке, составе лунного грунта.

… 10 ноября 1970 года с космодрома «Байконур» стартовала ракета-носитель «Протон». Она вывела на околоземную орбиту полезный груз – автоматическую станцию-робота «Луноход – 1». Через пять суток полета спускаемый модуль осуществил мягкую посадку на Луну. Это был уникальный аппарат. «Луноход» сочетал в себе и исследовательскую лабораторию, и транспортное средство для будущих поездок космонавтов по поверхности Луны. О том, что это произойдет в самом близком будущем, никто не сомневался. Регулярные полеты на околоземную орбиту, выход в открытый космос, многомесячное проживание на орбитальной станции – все это вселяло в ученых уверенность в том, что «… и на Марсе будут яблони цвести». Именно поэтому инженеры-конструкторы вложили в автоматическую станцию множество функций. Аппарат весом в 756 килограмм мог самостоятельно собирать пробы лунного грунта, производить десятки разнообразных измерений и передавать полученные результаты на Землю. Для этого робот-исследователь имел на борту химическую лабораторию, приборы для измерения радиоактивности и рентгеновского космического излучения. Телевизионная камера фиксировала лунную обстановку и пересылала снимки в Центр управления полетами.

Интересен был выбор ходовой части «Лунохода». Понятно, что аппарат должен «ходить» по Луне. Известно, что сила лунного притяжения намного меньше земного. И любой предмет на нашей спутнице весил примерно в шесть раз меньше, чем на Земле. И некоторые ученые считали, что вполне возможно использование шагающих устройств. Но многочисленные эксперименты подсказали единственно верное решение – движителями должны быть колеса. Военные, конструировавшие армейские вездеходы и бронеавтомобили, разработали кинетическую схему. У восьми колес были свои независимые электромоторы, которые позволяли не только двигаться, но и служить дополнительной страховкой в случае выхода из строя какого‐либо двигателя.

За одиннадцать лунных суток, что составляет свыше десяти земных месяцев, «Луноход» проехал по поверхности, изборождённой упавшими метеоритами (отсутствие атмосферы на Луне приводит к тому, что космические песчинки не сгорают), более 10500 метров, по дороге собирая бесценную информацию о спутнике Земли. И пусть этот автоматический аппарат не был роботом в строгом смысле, накопленные знания и опыт при его конструировании и последующей эксплуатации позволили выработать новые инженерно-технические решения.

Но стала ли начавшаяся космическая эра трамплином к далеким звездам? Увы, пока что мы не можем покинуть пределы ближнего космоса, и околоземная орбита стала испытательным полигоном для десятков экипажей из нескольких стран. Научно-исследовательские станции, годами находящиеся на орбите, позволили провести большое количество научно-технических и биологических, медицинских экспериментов. За пределами обитаемого отсека космонавты выполняли монтажные работы, проводили сварку в вакууме. Тем самым они закладывали основу для будущих экспедиций в дальний космос. Сменяемые экипажи подолгу живут в звездном доме, собирая уникальный материал жизни в невесомости. И все‐таки даже полет к сравнительно близким к Земле Венере и Марсу еще не под силу людям. Ведь полет в оба конца требует таких энергозатрат, которые пока не под силу самым мощным ракетам-носителям. К тому же Венера слишком близко находится к Солнцу и температура на ее поверхности непереносима для человека, даже в специальном снаряжении. А Красная планета, наоборот, слишком холодная и, как показали результаты дистанционного зондирования Марса, имеет слишком разреженную атмосферу, не способную эффективно поглощать космическое излучение…

Были и другие причины, уже чисто технического свойства. Мы все сегодня являемся свидетелями испытательных полетов очередного детища американского предпринимателя Илона Маска – сверхтяжелых ракет-носителей. Казалось бы, сама идея сделать космический корабль одним громадным ракетным двигателем является очень продуктивной. Ведь известно, что для вывода полезной нагрузки в околоземное пространство необходимо развить силу тяги, в десятки раз превышающую эту самую нагрузку. Именно поэтому все современные корабли строятся по ступенчатому принципу. Первая ступень – это самые мощные двигатели и самые вместительные топливные баки. Они за счет сгорания ракетного топлива создают струю, на которой, словно в лифте, и поднимается корабль. Выработав ресурс за несколько десятков секунд, двигатели первой ступени отстреливаются вместе с опустевшими баками, а включаются двигатели второй ступни. Они и продолжают разгонять корабль. Менее мощные, они, тем не менее, работают при уменьшенном земном притяжении и легче поднимают полезную нагрузку. И на высоте около ста километров, где и начинается, собственно, ближний космос, вторая ступень также сбрасывается. Дальше летит или автоматическая станция, или обитаемый модуль.

И если вы видели кадры хроники или фильм «Вызов», то не могли не заметить, что на околоземной орбите космическому кораблю достаточно работы крошечных двигателей для осуществления маневра или разгона. Ведь сильно разреженная атмосфера не препятствует свободному полету…

Идея Маска по-своему гениальная. Если на первичное ускорение нужно максимум энергии ракетных двигателей, то именно они и должны быть главными в сверхтяжелой ракете. Подняв корабль в верхнюю стратосферу, они отстыкуются и сгорят в плотных слоях атмосферы. Однако на практике все обстоит куда сложнее. Дело в том, что при разгоне и максимальной тяге ракетных двигателей вся технологическая связка подвергается страшным перегрузкам. И какими бы легкими ни были двигатели и топливные баки с горючим и окислителем, их масса, умноженная на ускорение, становится критической для конструкции.

Россия является пока единственной страной в мире, которой удалось создать сверхтяжелые ракеты, успешно выносящие на околоземную орбиту полезную нагрузку в десятки тонн. И ученые высказали разумную идею – будущие полеты в далекий космос станут возможными тогда, когда мы оторвемся от своей исторической колыбели – собственно, планеты Земля. Для этого на околоземной орбите должна быть построена не только орбитальная станция, – такие уже работают на протяжении десятков лет, – но и сборочная база. К ней будут отправляться сравнительно небольшие корабли, которые доставят изготовленные на Земле отсеки будущего межпланетного корабля. А сборка и отладка агрегатов будет выполнена уже на орбите. Советские космонавты и американские астронавты уже имеют опыт работ в открытом космосе. Они собирали наружные элементы орбитальной станции, выполняли ремонт аварийных узлов. В условиях невесомости работать с многотонными агрегатами не составляет труда.

А когда космический корабль будет готов, он может отправиться к далеким галактикам без тяжелых маршевых двигателей. Уже разработаны фотонные двигатели, которые придают ускорение кораблю за счет испускания света!

И вот, представим, что мы построили корабль, которому по силам осуществить полет пусть не к ближним созвездиям, а хотя бы на край Солнечной системы, туда, где в вечном холоде и мраке величественно проплывают самые далекие планеты – Уран, Нептун, Плутон… И, скорее всего, первым космонавтом для такого длительного путешествия станет… робот!

Что же мешает самому человеку отправиться пусть даже не к далеким галактикам, а к соседним планетам нашей Солнечной системы?

Первое препятствие – враждебное человеческому организму безвоздушное пространство. Оно не только лишено привычного и необходимого для дыхания воздуха, но и пронизано космическими лучами, жесткое рентгеновское излучение которых способно уничтожить все живое. Отсутствие атмосферы не обеспечивает комфортную температуру для экипажа. Под воздействием солнечных лучей поверхность корабля или орбитальной станции разогревается до нескольких сотен градусов, тогда как на противоположной теневой стороне царит космический холод. Это требует хорошей теплоизоляции и для космонавтов, и для многочисленных приборов корабля.

Некоторые работы на орбитальной станции проводятся космонавтами в открытом космосе. Для выхода из станции экипажам шьют специальные многослойные костюмы – скафандры, в которых поддерживается оптимальная температура. А через толстые кабели подается воздух и отводится выдыхаемая углекислота. Они же удерживают людей от случайного отлета от станции. Но даже в таком облачении космонавты могут находиться вне станции лишь несколько часов.

Второе существенное препятствие – ограниченность взлетного веса космического корабля. Для того, чтобы вывести на околоземную орбиту обитаемый отсек весом в несколько тонн, ракеты должны сжечь топлива в десятки раз больше. И это лишь для полета в ближний космос. А для путешествия даже к планетам Солнечной системы нужен корабль с гораздо большим запасом и топлива, и кислорода, и продуктов питания. Ведь такое путешествие займет не один месяц, а то и год! Построить подобную ракету-носитель пока не по силам инженерам. Сила земного тяготения попросту переломает конструкцию полностью экипированного корабля!

В отличие от человека, роботу не нужны воздух и питание. Ему не страшны холод и тепло. Робот не стареет и не болеет, и ему все равно, сколько лет будет длиться полет. Выполнив полетное задание, робот сможет возвратиться на Землю с результатами исследования или, отправив отчет, остаться на чужой планете навечно…

Отечественная космонавтика знаменита не только пилотируемыми полетами. Наши ученые разработали целый класс космонавтов-роботов – автоматические межпланетные зонды и станции. Они давно и успешно бороздят просторы Солнечной системы, некоторые становятся искусственными спутниками ближних планет и регулярно пересылают на Землю полученную информацию. Другие благополучно высаживаются на поверхность и ведут свой научный «репортаж» непосредственно с места приземления. По поверхности единственного естественного спутника Земли – Луны – ездил уникальный «Луноход». Он сочетал в себе и транспортное средство, способное передвигаться по пыльному лунному бездорожью, и исследовательские лаборатории, способные собирать пробы грунта и делать десятки измерений, и узел связи, передающий в Центр управления полетами всю полученную информацию.

Год спустя после успешной работы «Лунохода» на поверхности нашего естественного спутника, 19 мая 1971 года, на Марс была отправлена необычная марсианская миссия. На борту советского автоматического аппарата «Марс‐2» находился и первый в мире робот-марсоход ПрОП-М. Его название расшифровывалось просто – «прибор оценки проходимости – Марс». По внешнему виду это была громадная толстая металлическая книжка, установленная на салазки, похожие на санки. Для движения марсоход приподнимался над поверхностью, и особые рычаги переносили тело на несколько сантиметров вперед. Так иногда передвигаются черепахи.

Почему этот робот был поставлен на лыжи-полозья, а не на колеса, как его собрат «Луноход»? Дело в том, что конструкторы ленинградского (ныне Санкт-Петербург) ВНИИТрансМаш во главе с инженером-конструктором Александром Кемурджианом на протяжении нескольких лет изготавливали и испытывали различные движители. Это была головоломка, задача со многими неизвестными. Никто не знал, какой состав грунта на Марсе, каковы его механические свойства. Человеческий опыт подсказывал, что по сыпучим грунтам лучше всего передвигаться на «лыжах». Даже в песчаной пустыне можно скользить по склонам барханов на обычных горных лыжах или досках для серфинга!

Расчеты показывали, что ПрОП-М был способен двигаться со скоростью 1 метр в час. Медленнее черепахи! Но, с другой стороны, куда роботу спешить? Дело в том, что сигналы радиокоманд из Земли достигали свыше десяти минут. И если марсоход вдруг натыкался на препятствие, то на доклад в ЦУП и ожидание команды уходило почти полчаса.

Уже упомянутый в этой книге академик Игорь Каляев, тогда еще молодой ученый, принимал участие в разработке системы управления роботом. Учитывая такие большие временные задержки, Игорь Анатольевич предложил написать специальную компьютерную программу, которая будет управлять марсоходом. И таким образом была решена задача автономности аппарата. ПрОП-М делал несколько десятков «шагов» и через полтора метра останавливался, чтобы «оглядеться». Если перед ним возникало препятствие, машинный разум решал, что лучше – обойти его или попытаться преодолеть. Два тонких металлических стержня, похожие на усики насекомых, выполняли роль датчиков, которые определяли препятствия. Были у марсохода и другие научные приборы – динамический пенетрометр и гамма-лучевой плотномер. Они замеряли плотность и определяли структуру марсианского грунта.

Все команды с Земли на марсоход поступали через тонкий пятнадцатиметровый кабель, который, словно пуповина, связывал аппарат со спускаемым модулем. Через кабель подавалось питание на ПрОП-М, а также управленческие команды.

Первые советские марсоходы – а к четвертой планете были запущены две станции «Марс‐2» и «Марс‐3» с аналогичным оборудованием, – отправились в неизведанное с интервалом в девять дней. И обе станции испытали на себе коварство Красной планеты. Как назло, над Марсом разыгралась страшная буря. В разреженной атмосфере сила ветра достигала 140 километров в час. Клубы поднятой с поверхности пыли носились в течение нескольких месяцев.

«Марс‐2» разбился при посадке, его собрату удалось осуществить мягкую посадку. Станция перешла в автоматический режим и начала съемку марсианского пейзажа. При помощи манипулятора она спустила на грунт ПрОП-М, который неспешно двинулся по планете. К сожалению, по невыясненным причинам через пятнадцать секунд сигнал «Марс‐3» пропал, и больше ни станция, ни марсоход на связь не вышли…

А вот орбитальная станция, которая доставила к Марсу спускаемый модуль, продолжила летать на околомарсианской орбите и в течение восьми месяцев передавала на Землю результаты исследований.

Так уж повелось, что все неудачные космические эксперименты старались как можно скорее позабыть. Интерес к пропавшим марсоходам надолго был потерян. Да и что могло дать определение места его падения? Современная космонавтика давно превзошла уровень развития техники полувековой давности. Автономные аппараты, имеющие не только совершенную энергетическую установку, но и модули связи и лабораторное оборудование, проверенное на околоземной орбите, снабжаются искусственным интеллектом, что делает их качественно иными.

Но не будем забывать о пионерах освоения космоса! Вспомним замечательный советский мультик «Тайна третьей планеты», где идет речь о старом космолете, пропавшем в беспредельном космосе…

В 2012 году один из российских блогеров Виталий Егоров, увлекающийся космонавтикой, принялся детально изучать снимки высокого разрешения, которые сделаны американской межпланетной станцией и выложены в свободный доступ. На дне марсианского кратера Птолемей Виталию удалось не только распознать посадочный модуль, но и парашют, двигатель мягкой посадки и аэродинамический тормозной экран. Может быть, будущие поколения, прибывшие на Марс, смогут исполнить мечту, звучащую в песне:

«Утверждают космонавты и мечтатели,

Что на Марсе будут яблони цвести».

Это время, может быть, не столь далеко от наших дней. Как знать, вдруг один из современных мальчишек, увлекающийся исследованием космоса, спроектирует не только корабль для дальних перелетов, но и марсианские оранжереи, в которых будет настоящий земной сад!

Глава 9

По щучьему велению, ступайте, сани…

Однако мы размечтались! Самое время спуститься на нашу грешную землю, тем более что в последние годы на ней происходят прямо‐таки чудесные чудеса! Сказка «По щучьему велению» не только своевременно появилась на больших киноэкранах, чтобы вызвать дополнительный интерес к робототехнике, но и реализовалась в технических проектах, к которым мы уже привыкаем.

Говоря о самых разных роботах, мы коснулись промышленных автоматических аппаратов. Они без устали трудятся на машиностроительных заводах, в стерильных цехах по сборке электроники, даже доставляют клиенту важные документы или горячую пиццу, как было рассказано выше. Роботизированные умные колонки могут выполнять наши пожелания. Если такая система встроена в технологию «умный дом», то автоматика может оперировать освещением, обогревом и вентиляцией. Может управлять кухонными машинами и готовить ужин. Запускает робота-пылесоса, который к вашему приходу приберется в квартире. Кстати, одним из первых роботов-пылесосов стал знаменитый «Трилобит» («Trilobite»), придуманный известным британским инженером и конструктором Джеймсом Дайсоном. А название детищу Дайсон дал из-за сходства автономного пылесоса с ископаемым морским животным. Окаменелые останки трилобитов в большом количестве находили на морском дне. Сначала робот-пылесос управлялся с пульта дистанционного управления, а затем у бытовой техники появились мозги и сенсоры, которые позволили роботу выполнять работу, объезжая мебель. В самых последних моделях пылесосы получили более совершенную систему, которая программируется, исходя из размеров квартиры и расположения комнат. Прогресс, однако! При этом робот-пылесос научился не только «подметать» лапками-щеточками, пол, но и проводить влажную уборку, а некоторые модели даже снабжены приборами для дезинфекции и обеззараживания воздуха.

Но есть роботы, которые подобны знаменитой печке Емели. Они работают в транспортном секторе. Недавно по телевизору показали колонну грузовиков КАМАЗ, которые выехали из Санкт-Петербурга в Москву. Казалось, что в этом необычного? Но изюминка заключалась в том, что тяжелые машины ехали без водителей. Правда, шофер в кабине присутствовал, но лишь на самый крайний случай. А управляла техникой электронная система беспилотного вождения.

Этот эксперимент не был единичным случаем. Помимо грузовых автомобилей, компания «Cognitive Pilot» установила соответствующую аппаратуру на сельскохозяйственные машины. Роботы-тракторы и комбайны выехали на поля Татарстана и выполняли все положенные работы по посеву и уборке урожая.

А их маленькие собратья собирают урожай помидоров в одном из крупных тепличных хозяйств в Краснодарском крае. Робот, оснащенный рукой-манипулятором и техническим зрением, выбирает спелые томаты, бережно срывает их и складывает в ящики. Тот, кому доводилось проделывать это, знает, насколько это монотонный и утомительный труд. А роботу ничто не мешает хоть круглые сутки сновать по теплице и собирать урожай. Кстати, работу этого робота показали президенту Путину, а работники тепличного хозяйства угостили Владимира Владимировича свежими помидорами.

Многим робототехническим системам, особенно связанным с перемещением в пространстве, необходимы устройства, которые подобны человеческому глазу. Они нужны в первую очередь беспилотному транспорту. У нас в стране сразу несколько компаний занимаются роботизированными системами для автомобильного и железнодорожного транспорта. Несколько лет назад, сначала на полигоне Экспериментального кольца Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), а затем на Московском центральном кольце состоялись пробные поездки электропоезда «Ласточка», оборудованного системой беспилотного движения.

Рельсы служат надежной колеей для поезда. Состав не свернет в другую улочку, это не автомобиль. Но чтобы подъехать и точно остановиться на пассажирской платформе, нужно зрение. К тому же локомотивная бригада в пути следования смотрит за состоянием пути: нет ли посторонних предметов на рельсах, способных привести к крушению поезда. Опасно и внезапное появление людей или животных на пути следования.

Для того чтобы обезопасить движение беспилотного поезда, разработали целую систему технического зрения. Она включает несколько камер, лазерные дальномеры, лидары, при помощи которых анализируется окружающая среда, вырабатываются правильные решения для управляющего компьютера. Все объекты, попадающие в поле зрения камер, анализируются искусственным интеллектом. Современная система технического зрения проходит так называемое глубинное обучение, при котором распознает окружающие предметы по их очертаниям. Она точно может выделить фигуру человека, посторонний предмет и оповестить машинный разум. При обнаружении опасности автоматически подаются команды на применение экстренного торможения.

Точно так же в подобной ситуации поступил бы и машинист. Сегодня на железной дороге сигналы светофоров дублируются закодированными токами и передаются по рельсам на чувствительные приемники. Поэтому искусственному интеллекту не приходится различать цвет огня светофора, он получает другие команды. И включает тот или иной режим работы локомотива. Так же происходит и с прицельным торможением пригородного поезда на пассажирской платформе. В память электровоза вводят точные промеры длины пути и точку, от которой отсчитывается платформа. Автомат вождения начинает торможение с таким расчетом, чтобы остановиться именно в нужном месте, обеспечивая посадку и высадку пассажиров.

Опыт использования беспилотных поездов может быть востребован в суровых условиях Арктики, где такие электронные устройства успешно заменят локомотивную бригаду. Поезда-автоматы, везущие, скажем, сжиженный природный газ или нефть, добытую в Заполярье, к портам или в центральные районы России, вполне могут двигаться в беспилотном режиме. Местность Крайнего Севера малонаселенная, здесь нет сети автомобильных дорог. Из основной опасности на пути следования поездов могут быть только стада оленей или дикие звери. Для предотвращения наезда на животных беспилотный состав надежно экипирован техническим зрением, а также на нем могут быть установлены дополнительные световые и звуковые сигналы, которые будут отпугивать животных. В начале эпохи автомобильного или железнодорожного транспорта законодатели постановили, чтобы перед каждым автомобилем или поездом обязательно бежал человек и подавал сигналы или звонил в колокольчик.

Беспилотные поезда опробованы и на Московском метрополитене. Они показали достаточно качественный результат эксперимента, однако, по словам Максима Лисутова, заместителя мэра Москвы, машинист останется в кабине поезда. Во всяком случае, в ближайшее время. Слишком большой пассажиропоток в подземке и слишком велики риски падения людей на рельсы или застревания в случае открытия дверей с противоположной стороны.

Еще сложнее задачи стоят перед роботами-шоферами. Автомобильные дороги, в отличие от рельсового транспорта, представляют собой более сложную и опасную среду. Если поезда строго ездят по однопутному или двухпутному участку друг за дружкой, то автомашина на городской улице или оживленном шоссе движется в тесном потоке. Проезд перекрестков, пересечений с другой улицей требуют повышенного внимания. И тут, как принято говорить, гляди в оба.

И неслучайно небольшие автомобили и мощные грузовики «КАМАЗы», участвующие в экспериментальных поездках в беспилотном режиме, буквально обвешены приборами для технического зрения. Они анализируют актуальную обстановку – расстояние до соседней машины, отсутствие препятствий на пути следования – и выдают данные для обработки бортовому компьютеру. Скорость реакции современных вычислительных систем в тысячи раз быстрее человеческой реакции. Поэтому применение роботов-водителей является более безопасным, поскольку устраняет человеческий фактор.

И все же до идеального вождения роботу-шоферу еще слишком далеко. В Соединенных Штатах Америки много шума наделал беспилотный автомобиль «Тесла», созданный компанией Илона Маска. Но вот беда, беспилотник уже совершил несколько аварий, и его дальнейшая эксплуатация на оживленных улицах представляется не столь очевидной.

Создание беспилотного транспорта, несомненно, является значительным достижением в мире робототехники. Такие машины востребованы в самых широких сферах. Беспилотные вагончики-шаттлы перевозят авиапассажиров между терминалами в крупных аэропортах. Роботизированные погрузчики деловито снуют по территории гигантских складских помещений, безошибочно выбирая на стеллажах нужные товары, и доставляют их в нужное место. Карьерные самосвалы работают в условиях вечной мерзлоты, без устали перемещая десятки тонн руды, угля.

На площадке федеральной территории «Сириус» в Сочи состоялся международный форум «АтомЭкспо 2024», организованный государственной корпорацией «Росатом». Среди экспонатов, посвященных энергетике, неожиданный интерес у посетителей из 75 стран вызвала целая плеяда самых разнообразных беспилотников. От маленьких шустрых курьеров до машин грузоподъемностью в несколько тонн, оборудованных лидарами, техническим зрением и искусственным интеллектом.

В духе времени все новинки были выполнены по так называемой «зеленой» технологии. Они не выделяют углекислый газ, с выбросами которого борются во всем мире, чтобы снизить парниковый эффект.

Робототехника показала, на что она способна. Например, грузовичок Evocargo N1, способный перевозить около двух тонн грузов, предназначен для крупных автоматизированных промышленных предприятий. Используя батарею емкостью 40 кВт/ч машина имеет запас хода в приличные 200 километров! Он может двигаться со скоростью до 20 километров в час по любому помещению или между заводскими корпусами, при этом следует машина либо по заранее загруженной программе, либо по навигатору, используя спутники GPS или ГЛОНАСС, а также радиочастотные метки. Камеры кругового обзора обеспечивают возможность объезжать препятствия и предотвращают от столкновений с людьми или другими машинами.

На форуме представили и легковые одно- и двухместные машины, которые, имея даже меньшую по емкости батарею, в состоянии преодолевать до 300 километров. Помимо этого, разработчики показали особую технологию скоростной замены батареи «Battery Swap», когда одна разряженная батарея меняется на заряженную за минуту.

Ну и закончить небольшой обзор роботов-беспилотников хотелось бы еще одной новинкой. Ученые-инженеры Казанского государственного энергетического университета создали робота, который самостоятельно определяет неисправности на электроподстанциях. Робот, обученный элементарным основам электротехники, в состоянии передвигаться по территории крупных подстанций и осматривать инфраструктуру. Техническое зрение, датчики тепловизионного контроля и другое исследовательское оборудование, установленное на платформу на гусеничном ходу, позволяет контролировать состояние силового оборудования, изоляторов и проводов. Программисты заранее вводят маршрут движения робота и местоположение ориентиров, а дальше искусственный интеллект низкого уровня позволяет объезжать препятствия и приближаться к тому или иному агрегату. Роботу не страшно нахождение под силовыми линиями, все оборудование надежно заземляется.

Развитие технического искусственного интеллекта, отработанные технологии чат-ботов позволяют ввод речевых команд в память устройств. А это значит, что вполне возможны сюжеты, как в русской народной сказке о Емеле:

– По щучьему велению, по моему хотению, ступайте, ведра, на реку за водой!

Глава 10

Многорукий тезка великого флорентийца

Наблюдая за действиями эскулапов, Леонардо да Винчи пришел к выводу, что человеческий организм – это сложный набор костей, мышц и внутренних органов, которым свойственны механические соединения на манер любой из машин. А если так, то и врачевать можно людей так же просто, как мы ремонтируем технику. Надо только понять тонкие моменты, связанные со взаимодействием внутренних органов.

К счастью, эти размышления остались лишь в рукописях великого флорентийца, наряду с другими его проектами, умозаключениями и выводами. Опередившее время гениальное предвидение Леонардо оказалось весьма востребованным в наши дни. Пройдемся по любопытному аспекту использования робототехнических систем в самом жизненно важном для каждого человека направлении – медицине.

По статистике, самыми высокооплачиваемыми специалистами в Соединенных Штатах Америки являются юристы и врачи. Оставим толкователей римского права за рамками нашего повествования, а вот к лекарям стоит присмотреться повнимательнее.

Испокон веков, когда появились первые врачеватели, их инструментарий оставался весьма скудным. Больных лечили по наитию, на глазок, используя природные материалы. Мох и отдельные виды лишайников, листья подорожника помогали излечивать раны, предотвращали заражение. Даже личинки навозных мух оказались незаменимым средством для борьбы с гниением ран. Сломанные руки или ноги пытались укрепить при помощи кусочков веток, накладывая примитивные шины. Некоторые виды лекарственных растений помогали при заболеваниях, снимали головную боль, как анальгетики.

В Средние века арсенал врачей пополнился стетоскопом, которым можно было прослушать легкие больного, а перкуссия или простукивание выявляли внутренние опухоли. Но по-настоящему медицина заработала лишь тогда, когда было тщательно изучено тело человека, поняты механизмы возникновения заболеваний, появились первые диагностические приборы. С изобретением рентгеновского аппарата врач заглянул внутрь больного не после вскрытия, а в самом начале болезни. И это были громадные шаги в направлении профилактической медицины.

С развитием компьютерной техники, миниатюризации оптики и электроники были изготовлены медицинские приборы, которые в корне изменили ход оперативного вмешательства. Лапароскопия – выполнение операции через небольшой прокол – существенно уменьшило кровопотери, ускорило заживление раны и уменьшило срок пребывания пациента в стационаре.

Двадцать лет назад мне довелось принимать участие в работе научно-практической конференции по технологиям двойного назначения. Одна из научных сессий касалась телемедицины – довольно‐таки нового направления в медицине. Компания «Стэл-Компьютерные Системы» установила телемедицинский комплекс в Ярославской областной больнице. И участники конференции стали свидетелями проведения полостной операции. Через три прокола в тело пациента были введены несколько манипуляторов. Один из них, оснащенный крошечными щипчиками-ножничками, был хирургом, удалявшим доброкачественные новообразования. На другом манипуляторе была видеокамера высокого разрешения, которая увеличивала изображение в несколько раз, и крошечный резиновый мешочек, в который рука-хирург складывала отрезанные ткани. Это было очень необычное зрелище, но любой участник конференции, наблюдавший за ходом операции по большому экрану, мог убедиться в том, что ни крови, ни остатков пораженного органа в теле пациента не осталось…

Мне вспомнилось все это, когда я смотрел в кинотеатре фильм «Вызов». Напомню в двух словах содержание картины. Это важно для нашего дальнейшего повествования.

На космической орбите после выхода в открытый космос и удара о стенки станции, один из космонавтов почувствовал резкую боль в боку. Его легкие получили повреждение. Дальнейшее пребывание на орбите было сопряжено с риском смерти, а спуск после такой травмы грозил гибелью от перегрузок. Центр управления полетами принял единственно возможное решение – отправить в космос опытного врача-хирурга и провести в невесомости сложную операцию…

Дальше можно не описывать, лучше самому сходить в кино, чтобы увидеть все на громадном экране и со всевозможными звуковыми и видеоэффектами. Но стоит сказать, что такая событийная фабула является фантастической выдумкой только на первый взгляд.

Ведущие мировые державы, у которых были приняты программы освоения космоса, заботились о здоровье космонавтов, астронавтов и тайконавтов, как называют покорителей космоса на разных языках. Для этого, прежде всего, существовал строгий отбор и всесторонние медицинские обследования кандидата на полет. Как правило, в члены экипажей космических кораблей отбирались военные летчики, уже прошедшие проверку медицинскими комиссиями, имевшие опыт пилотирования, знакомые с возникающими при полетах на реактивных самолетах перегрузками. Врачи, разрешающие допуск людей на околоземную орбиту, при этом руководствуются строгими правилами, и при малейших подозрениях новичка попросту отчисляют из отряда космонавтов.

Но вдруг случится такое, что во время длительного полета космонавт внезапно заболеет? Ведь члены экипажа могут жить на орбите в состоянии невесомости по несколько месяцев. Проблема со здоровьем может возникнуть и во время выхода в открытый космос, как показано в российском фильме. А если предстоит полет к более далеким планетам, к примеру, на Марс? На этот случай в американском космическом агентстве НАСА еще в 2000 году была принята программа создания некоего медицинского устройства, с помощью которого на борту орбитальной станции можно было бы выполнять простейшие хирургические операции.

А в 80‐х годах ХХ века начинается история развития хирургических робототехнических систем. Это было время, когда правительства многих государств не жалели средств на космические исследования. Соединенные Штаты Америки начали разработку амбициозных космических программ, которые предусматривали и длительные орбитальные полеты, и высадку на Луну, а возможно, и на Марс, строительство постоянно действующих на околоземной орбите орбитальных станций.

Вот тогда‐то и возникло понимание необходимости неотложной хирургической помощи в условиях невесомости. На земле для этих целей служат поликлиники и стационары. Но не станешь ведь запускать в космос еще одну станцию – космический госпиталь?! И как быть с медицинским персоналом, который присутствует на обычной операции? А ведь это и хирурги, и анестезиологи, и хирургические медицинские сестры… Им тоже находиться в космосе все время полета группы космонавтом? Но далеко не каждый врач может похвастаться таким же крепким организмом, как летчики или моряки-подводники. И сколько времени может длиться их орбитальная вахта? А если никто на станции не заболеет? Зачем тогда такие сложные и дорогостоящие мероприятия?

Конечно, это было нецелесообразно. Поэтому специалисты Американского космического агентства (NASA) занялись иным решением проблемы. Наработанные ранее в военной сфере технологии привели к появлению во врачебной практике медицинских роботов-ассистентов. Робот мог максимально аккуратно совершать большое количество специфических хирургических действий. Его манипуляторы по точности движений превосходили руки хирурга. К тому же они были абсолютно стерильны, что дало возможность сократить вероятность появления осложнений, уменьшить операционную травму, снизить сроки госпитализации и реабилитации больных.

Манипуляторы и взяли за основу будущего робота для работы в космосе. В 1985 году в мире впервые была представлена первая роботизированная хирургическая система «Puma 560», которая нашла свое применение в нейрохирургии. Позднее появился манипулятор PROBOT для хирургического лечения урологических заболеваний. Роботы могли делать внутриполостные (лапароскопические) операции через небольшие проколы в теле больного. Это позволяло существенно уменьшить величину разреза и снизить риск занесения инфекции. К тому же при лапароскопии ведется визуальный контроль с помощью крошечных телекамер, а хирург-консультант видит все на большом экране, иногда и в объемном изображении.

Медицинского помощника невозможно сконструировать без тесной кооперации инженеров-конструкторов и врачей. Так поступили, например, специалисты американской компании Virtual Incision при разработке робота-хирурга MIRA (расшифровывается как Miniaturized In-vivo Robotic Assistant – миниатюрный робот-ассистент для проведения операций внутри организма). Они привлекли ученых и инженеров университета Небраски (США). Сам робот, напоминающий удлиненный цилиндр, получился довольно компактным – он весил меньше килограмма. Две руки-манипуляторы могли уверенно орудовать скальпелем и зажимом. Его разработали столь компактным специально для стесненных условий космического корабля или орбитальной станции. К несомненным достоинствам робота-хирурга относится и то, что его можно стерилизовать так же просто, как и обыкновенные хирургические инструменты, – кипячением.

MIRA может работать в двух режимах – дистанционно, подчиняясь командам реального хирурга, и полностью автономно по заранее заданной программе. Если участие человека имеется, то хирург при помощи телекамер высокого разрешения может видеть все операционное поле и контролирует показания приборов, обеспечивающих жизнедеятельность пациента.

Как утверждают разработчики робота MIRA, в память автоматического хирурга вшито несколько операций, от удаления аппендикса до зашивания сложных ран. Робот может даже лечить зубы! В условиях реального космического полета MIRA планируют испытать в 2024 году. Будет ли для этого необходимый пациент и согласятся ли астронавты на подобный эксперимент, покажет время…

Успехи «механической» хирургии вызвали большое количество исследований и в других областях. В 1992 году для оказания хирургического лечения при осуществлении протезирования суставов была разработана система RoboDoc.

В 1993 году фирмой Computer Motion Inc. создана роботизированная система Aesop («Эзоп»). Она представляла собой «автоматическую руку» для фиксации и изменения положения видеокамеры при проведении лапароскопических операций. Такая установка применяется в некоторых клиниках до сих пор.

Все эти системы имели узкоспециализированное направление. Их использование ограничивалось лишь помощью в осуществлении определенных этапов в хирургических операциях. Они не являлись в полном смысле роботизированными системами. В 1998 году мировой медицине была представлена первая универсальная роботизированная система ZEUS («Зевс»). Ее возможности были гораздо шире, и врачи получили действительно надежного помощника. Робот умел делать аккуратные разрезы, проникал туда, куда сложно было добраться рукам хирурга, и имел набор инструментов, которые позволяли выполнять даже самые сложные манипуляции.

Наконец, в конце 90‐х годов компанией Intuitive Surgical Inc был разработан универсальный робот-хирург, способный проводить операции при различных патологиях. Этот робот был назван Da Vinci («Да Винчи») в честь великого изобретателя Леонардо да Винчи.

В 2000 году Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США (FDA) дало разрешение на проведение с помощью хирургического робота «Да Винчи» медицинских операций. В марте 2001 года Министерство здравоохранения Канады одобрило использование хирургического робота «Да Винчи» для операций в брюшной полости и грудной клетке. Роботизированная система «Да Винчи» позволила хирургам производить операции пациентам, даже не касаясь их. Находясь в нескольких шагах от больного, врач получает подробное представление о том, что происходит на операционном столе.

Достигается этот эффект за счет целого комплекса приспособлений. Прежде всего, робот оснащен несколькими видеокамерами, как наружными, так и миниатюрными, способными проникать в лапароскопический надрез внутрь человеческого тела и показывать врачу состояние больного органа. Камеры дают объемное изображение при большом увеличении, что позволяет хирургу проводить оперативное вмешательство даже на тонких сосудах или нервных окончаниях. Чувствительные руки-манипуляторы двигаются во многих плоскостях, с высокой точностью достигают нужного места. Они могут делать буквально микроскопические надрезы, что не травмирует ткани. После операции, выполненной с помощью робота-хирурга, пациенты быстро выздоравливают, у них бывает в разы меньше всевозможных осложнений. И неслучайно комплексы «Да Винчи» закупают во многих странах мира, и они становятся привычным атрибутом хирургической операционной.

Хирургический робот состоит из двух частей. Первая часть расположена над пациентом и содержит четыре связанные между собой «лапки» и бинокулярную камеру высокой четкости (HD). Такой конструктив позволяет хирургу выполнять сразу несколько операций – от прокола или разреза до зажимов, которыми пережимают кровеносные сосуды. Именно это в разы снижает кровопотери во время хирургического вмешательства. Каждая «лапка» оснащена хирургическими инструментами. Смену скальпеля на зажим робот-хирург выполняет моментально, что позволяет проводить операцию за более короткое время. Блок с руками-манипуляторами будет находиться в контакте с телом человека во время хирургического вмешательства.

Вторая, более объемная, часть робота является самой важной частью машины и не находится в близости с пациентом. Но именно она при операциях с использованием роботов «Да Винчи» служит непосредственным помощником хирурга. Здесь находятся «мозг» и «сердце» робота-хирурга. С ее помощью врач управляет роботом. Два (у хирурга только две руки!) очень чувствительных джойстика и 3D-экран, который напрямую связан с эндоскопом, позволяют выполнять всю работу. Хирурги, в обычных клиниках сгрудившиеся во время операции над пациентом, теперь работают на удалении. Но при этом получают полноценные ощущения «прикосновения» к больному. Обе части робота-хирурга связаны кабелями, которые обеспечивают передачу всех необходимых данных. Ведь робот не только способен показывать операционное поле, например, находящееся в брюшной полости или внутри грудной клетки, но и в кишечнике, что при обычных операциях требовало значительных разрезов…

Такая способность роботов «Да Винчи» обусловила их успешное применение при сердечно-сосудистых и урологических операциях. Успехи применения комплекса «Да Винчи» вселили в разработчиков уверенность в том, что большинство проблем, связанных с использованием лапароскопических технологий, будут постепенно решаться. Совместная работа инженеров и медиков, накопленная научно-медицинская база знаний позволили создать, по сути, новую область в медицине, основанную на использовании современных мехатронных комплексов и цифровых систем – роботохирургию.

Научные исследования показали такую картину: во всем мире работает чуть больше 5000 роботов «Да Винчи». С их помощью выполняется в год свыше миллиона операций, и их число увеличивается за год почти на 20 %. Частота выполняемых операций достигла невероятной величины – каждые 36 секунд делается одна операция!

Конечно, даже самый совершенный робот не может самостоятельно оперировать пациентов в автоматическом режиме. Он управляется хирургом и является лишь его надежным помощником. Притом разработчики обеспечили, что называется, врачебный контроль над операцией. Помимо того, что все манипуляции записываются в память компьютера, действия в операционной происходят только тогда, когда хирург касается лбом специальных датчиков, установленных над экраном. Это не всегда бывает удобно, но в каждом деле есть свои плюсы и свои минусы. Однако наука и техника не стоят на месте. Развитие технологий, появление новых приборов и их миниатюризация способствуют прогрессу и в такой, казалось бы, «ручной» профессии, как медицина.

Большое подспорье в развитии высоких медицинских технологий, в том числе и робототехники, искусственного интеллекта, оказывают нетрадиционные «игроки» на этом рынке. В их числе особое место занимает банк Сбер. Он много сделал для становления беспилотного транспорта, и в подходах к телемедицине, ранней диагностике особо опасных заболеваний менеджмент Сбера проявляет исключительную ответственность. Была разработана четкая программа, в которой нашли место и внедрение роботов-хирургов, и роботов-медицинских сестер, и роботов-санитарок, которые призваны проводить дезинфекцию больничных и лабораторных помещений.

Особое место в робототехнике занимают реабилитационные роботы. Это уже упомянутые экзоскелеты, при помощи которых снимаются нагрузки с поврежденных органов, прежде всего, скелета и основных групп мышц. А также роботизированные протезы, использование которых позволяет возвратить человеку функции после утраты конечностей. А если пациенту, прикованному к постели, необходимы двигательные упражнения, чтобы предотвращать нарушение дыхания или работы мышц, созданы специальные реабилитационные роботы. Они выполняют работу, которую трудно делать медперсоналу. К примеру, заставлять двигаться руки или ноги больного. Робот может без усталости и неудовольствия массировать больного, шевелить его конечностями или частью тела, чтобы восстанавливать кровоток и способствовать восстановлению нервной проводимости.

Насколько важно для человека такое отношение, мы сейчас и расскажем.

Глава 11

Сестра-сиделка, которая «never sleeps» (никогда не спит)

Есть на японском острове Сикоку небольшая деревушка Нагоро. Она стала известной во всем мире по двум причинам. Первая, страшная, – в деревне из 450 жителей осталось всего лишь двадцать человек. Причина оскудения населения – в резком старении жителей и массовом выезде молодежи на работу в большие города. До ближайшего населенного пункта, где есть больница, около 90 километров. Рейсовые автобусы до Нагоро отметили пятнадцать лет назад, когда поездки перестали оправдывать себя.

Одна из жительниц деревни решила повысить численность населения и сделала это весьма оригинальным способом. Однажды она боролась с птицами на своем поле. Чтобы отпугивать непрошенных пернатых, Аяно Цукими, которой самой уже перевалило за семьдесят, изготовила соломенное чучело. Японский Страшила оказался весьма симпатичным, и тогда одинокая женщина начала делать ростовых кукол целыми семьями. Она устанавливала их на автобусной остановке, возле магазина и в школе. Некоторые сорванцы залезали даже на деревья! Всего за десять лет Аяно изготовила почти четыреста чучел. Наряженные в одежды, они словно восполнили собою убыль…

Для нашего повествования очень важно было указать на проблему убыли населения и одиночества. Пожилые люди, живущие отдельно от детей и внуков, нуждаются в особом уходе. Как говорится, старый, что малый…

Люди, особенно дети и пожилые, часто нуждаются в большей заботе и внимании, чем большинство работоспособного населения. Связано это с психологическими проблемами, с которыми они сталкиваются. В раннем возрасте забота о детях обусловлена их обучением и воспитанием. Как правило, это происходит в семье или дошкольных заведениях. А вот старшее поколение в силу упадка физических возможностей, связанного со старением и появлением многих болезней, часто не может обойтись без помощи со стороны других людей. К тому же за время жизни у них вырабатываются определенные навыки общения. Снижение количества и качества коммуникаций является жизненной проблемой, которую можно решать различными способами.

В 2007 году у себя дома инженер Ле Чунг собрал человекоподобного робота «Айко». Он напоминал одновременно и японскую девушку из популярного аниме, и фарфоровую куклу. Мимика и движения «Айко» были не очень натуральными, но зато робот мог реагировать на физические раздражители и имитировать реакцию на боль. Эта технология впоследствии стала использоваться для изготовления реалистичных протезов.

Япония, как известно, стареющая нация. Некогда именно человеческий фактор стал основой для экономического и технологического роста этой страны. После восстановления промышленности, разрушенной во время Второй мировой войны, Страна восходящего солнца вышла на первое место в мире по радиоэлектронике, автомобилестроению, внедрению роботизированных комплексов и станков с ЧПУ. Все это обеспечило знаменитое «японское качество», которым славились многие изделия, в числе которых фототехника и радиоэлектроника, автомобили, морские суда. Рост благосостояния работников привел к увеличению трудового участия. Многие молодые семьи вместо рождения детей предпочитали успешную карьеру. С годами это привело к тому, что в стране появилось большое число пожилых, иногда одиноких людей. Чтобы скрасить их одиночество и внести разнообразие в жизнь, и была придумана «Айко». Она могла выполнять простейшие функции медсестры-сиделки: готовить чай и кофе, рассказывать о погоде, читать журнал или напоминать о необходимости принять вовремя лекарство. Вторая версия робота имела более совершенные функции, позволяющие поддерживать несложную беседу с человеком.

Удачная конструкция перекочевала и в медицинские клиники. Здесь для роботов-андроидов нашлось много дел. Если вас смущают вид крови или металлический блеск хирургических инструментов, давайте поскорее перейдем в палату, где прооперированные больные проходят реабилитацию. Многим известен термин «отделение реанимации». Кто‐то сам был в таком помещении или видел по телевизору или в кинофильмах. Как правило, это стерильные палаты, оснащенные диагностическими приборами, капельницами, всевозможными приспособлениями для послеоперационного ухаживания за пациентом. Мониторы показывают текущее состояние больного, при необходимости врач или медицинская сестра, глядя на эти проборы, вмешивается, чтобы дать нужное лекарство или выполнить другое назначение лечащего врача.

Сколько раз доводилось видеть, как ночью медсестра или нянечка устало забывается сном. А в это время с больным может произойти непоправимое. И вот тут как раз кстати оказывается робот-сиделка. Такие автоматические устройства уже разработаны и успешно применяются во многих клиниках. Роботы дежурят в палатах, внимательно контролируют данные, поступающие от датчиков на теле пациента. Точно в назначенное время он может подъехать и напомнить о необходимости принять лекарство. А когда пациент бодрствует или находится в обычной палате, то автоматическая медсестра выполняет его желания. Может включить телевизор, радиоприемник, прочесть аудиокнигу или поддержать разговор любой сложности. При этом существуют роботы, у которых подвижны не только руки-манипуляторы, но и лицо. Оно выражает эмоции, что дает больному ощущение разговора с живым человеком.

Любопытно обратиться к соседу Японии, чья демографическая ситуация далека от проблемной, – Китаю. В Поднебесной инженеры-конструкторы разработали несколько моделей не только роботов-собак, но и особых роботов-андроидов. Они были лишь внешне похожими на людей, но зато с их помощью удалось выработать механизмы взаимодействия «человек – машина» и обучить искусственный интеллект реагировать на внешние раздражители. Вообще‐то, каким бы странным это ни казалось, но именно создание человекоподобных машин способствовало исследованиям в области искусственной кожи, чувствительных рецепторов, манипуляторов с высокой степенью подвижности и точности. Электронная начинка роботов становится все совершеннее, при помощи технических средств доводя возможности машины до уровня человека. Стараются не отстать от ритма научно-технического прогресса и отечественные разработчики. Около двадцати лет назад одна из российских компаний, специализирующаяся на производстве тренажеров, создала робота «Гошу». Ростом с подростка, робот служил наглядным пособием и одновременно тренажером для обучения медицинских сестер навыкам реанимационных манипуляций. «Гошу» можно было спасать как утонувшего, а также проводить ему искусственное дыхание или непрямой массаж сердца.

Успешный опыт работы с роботами-тренажерами позволил открыть несколько весьма результативных стартапов. Один из них работает в Казани, известной своими многими проектами в области высоких технологий.

Компания «Eidos» делает не простые андроиды, а медицинские симуляторы для реаниматологии, экстренной медицины, нейрохирургии, анестезиологии, эндоурологии, гинекологии и акушерства. Одна из особенностей продукции Eidos – реалистичность кожи, костно-мышечной структуры, движений конечностей, роста и веса взрослых, детей и новорожденных. Роботы-пациенты могут «дышать», у них течет «кровь», им «становится плохо». Анатомически точные структуры всех органов и систем позволяют проводить измерение жизненно важных показателей организма и отрабатывать сердечно-легочную реанимацию, механическую вентиляцию легких при помощи реального аппарата ИВЛ, введение лекарственных веществ и другие манипуляции.

Вот как описал встречу с медицинскими роботами казанцев один из российских журналистов:

«Сам я из семьи врачей, и от медицинских новинок меня не оторвать. Вот и сейчас я присоединился к доктору, который тестирует уже готового андроида. У робота под сотню разных функций, он способен симулировать практически все состояния пациента, с которыми может столкнуться реаниматолог. Диагноз вводится на мониторе – и мы мгновенно видим реакцию андроида».

Врач решил проверить реакцию андроида на отек Квинке. Он может наступить как аллергическая реакция на внешнюю среду или лекарства, укусы насекомых или другую непереносимость. Достаточно в этот момент засунуть палец роботу в рот, чтобы явственно ощутить, как язык начинает опухать, перекрывая дыхание. Нужна срочная интубация. Если в это время при помощи ларингоскопа доктор введет специальную трубку в трахею, «больного» можно спасти. Навыки, достигнутые во время работы с тренажером, позволяют избегать разрывы трахеи, после чего требуется уже хирургическое вмешательство.

Многие знают, сколько мучений у медсестер вызывают манипуляции при взятии крови из вены. Сосуды очень капризны, они могут «прятаться» под кожу. И тогда неминуемы проколы и кровоподтеки, а иногда и возникновение тромбов. Конечно, мастерство приходит с большой практикой, но кто может точно ответить, сколько нужно измучить пациентов прежде, чем такое мастерство будет достигнуто? А тренажеры позволяют делать такие манипуляции хоть сто раз на дню. Правда, медицинский робот в случае неграмотного движения будет вести себя, как человек – издавать стоны, морщить лоб…

А еще у роботов Eidos есть реакция зрачка на свет, и они даже очень натурально покрываются испариной. Можно вводить внутривенно лекарства: на шприцах с водой есть штрих-код с дозировкой и названием, и система реагирует на них, как на настоящее лекарство.

Медицинские роботы-тренажеры разрабатываются не только в России, но и по всему миру. Они имеют самое разное предназначение, функционал, степень автоматизации или использования искусственного интеллекта. И последнее обстоятельство играет далеко не последнюю роль в конструировании робототехники.

Эти примеры убеждают в том, что роботы в том или ином виде завоевывают все большие симпатии у людей. Но развлечения – не главное в профессии робота. Его удел – работать там, где нужны неусыпный контроль, пунктуальность и оперативность.

Обратимся к далекой и не очень далекой истории. Ведь именно в глубь веков уходят сведения о первых механических слугах, изготовленных не столько для реальной помощи человеку, а больше для увеселения или демонстрации возможностей механики.

Мы рассказывали о том, что Герон Александрийский для одного из храмов изготовил автомат для продажи святой воды. А механическая служанка, созданная Филоном Византийским, прислуживала за столом пирующих. В одной руке она держала кувшин с вином, и стоило поставить в ее другую ладонь чашу, как служанка быстро наполняла ее.

Как тут не вспомнишь недавнее наше прошлое?! Буквально на каждом углу в городах можно было увидеть автоматы для продажи газированной воды. За копейку вы получали стакан простой воды, а за три – со сладким сиропом. Мы мальчишками обожали эти автоматы и после школы традиционно выпивали по стакану водички…

Несколько столетий назад японские мастера изготовили куклу – механического робота, который прислуживал во время чайной церемонии. Кукла умела наливать в чашечку горячий напиток и подносить ее гостю. При этом речевой механизм мог произносить несколько приветственных фраз. Сегодня такие примеры кажутся слишком детскими, но не будем забывать, какими извилистыми были дороги, по которым через века к нам шла робототехника!

Глава 12

Битва роботов, в которой нет побежденных

В Российском университете транспорта (РУТ-МИИТ) есть детский технопарк «Образцово». Сюда приводят своих детей те из родителей, кто хотел бы видеть их железнодорожниками. Секции в технопарке самые разнообразные, они помогают ребятам познать азы будущей профессии или сделать правильный выбор в специализации. Ведь Российские железные дороги сегодня – это не только «рельсы-рельсы, шпалы-шпалы, мчится поезд запоздалый»… Эта отрасль – одна из самых высокотехнологичных. Для управления движением поездов и обеспечения безопасности пассажиров и грузов внедрены десятки самых современных технологий. От приборов неразрушающего контроля до использования спутниковой группировки для навигации и дистанционного зондирования Земли. Железнодорожники успешно применяют робототехнические устройства и беспилотную авиацию, поезда без машинистов трудятся на многих станциях и магистральных линиях.

И неслучайно в «Образцово» функционирует кружок робототехники. Сначала из готовых наборов, а затем и из самостоятельных конструкций дети собирают своих первых роботов, пишут для них программы, управляющие движением или манипуляторами. На одном из таких «РобоДней» мне посчастливилось побывать. И я увидел, как за считанные часы участники соревнований из конструкторов собирают роботов и, включив питание, заставляют их выполнять ту или иную полезную работу. Это конструирование в последние годы начало приобретать массовый характер. Он связан и со все более широким внедрением робототехники в нашу повседневную жизнь, и с проведением особых конкурсов, получивших название «Битва роботов».

Мой знакомый, преподающий основы мехатроники в секции робототехники при Московском дворце пионеров на Воробьевых горах, пригласил меня посмотреть на битву роботов, в которой участвовали творения школьников. Детские игрушки и их поединки выглядели весьма дружелюбными по сравнению с теми битвами роботов, в которых участвуют команды взрослых разработчиков.

Многие, наверное, уже видели воочию или в телевизионных передачах поединки стальных рестлеров – битвы роботов. Такие соревнования проводятся во многих странах, где есть технологические возможности – развита робототехника. Проводятся они и в России. В 2023 году Правительство России приняло предложение Минцифры о ежегодном проведении на территории России международного чемпионата по битве роботов. Соответствующее постановление кабинета министров опубликовано на портале правовой информации. В документе говорится, что Минцифры будет заниматься координацией подготовки и проведения чемпионата. Для организационно-технического и экспертного сопровождения чемпионата был создан организационный комитет. «Дабл Ю Экспо» – оператор чемпионата, а ООО «Промобот» отвечает за техническую экспертизу при проведении чемпионата.

Интересна судьба компании «Promobot», о которой еще будет рассказано в этой книге. Интерес вызывает и личность ее основателя Олега Кивокурцева, благодаря которому во многих странах мира знают не только гида-информатора «Promobot», но и его родную «сестру» «Дуняшу». Она стала настоящим сюрпризом для посетителей Петербургского международного экономического форума в 2022 году. Розовощекая мороженщица Дуняша могла приветствовать гостей, шутить с ними на их родном языке и угощать кофе или мороженым. И хотя такие роботы – лишь внешняя оболочка большой индустрии робототехнических средств, они служат хорошим примером использования во многих областях нашей действительности.

Но пока вернемся к поединку роботов. В ходе соревнований машины вступают в схватку на специально оборудованном ринге, а разработчики управляют ими при помощи пультов. Стартовав как инициатива Московского технологического института и частной компании Promobot в 2015 году, через семь лет мероприятие приобрело международный масштаб и официально поддерживается Правительством Российской Федерации и Минцифры России.

Министр цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Максут Шадаев во время церемонии открытия битвы роботов сказал:

«Мы даем старт первому чемпионату по «Битве роботов», который проходит в блоке «Игры будущего» – очень большого нового перспективного формата. Он будет зрелищным и должен привлечь внимание молодежи, технологических компаний, университетов к робототехнике».

Профессия у «Promobot», а именно так назвал своего первенца пермяк Олег Кивокурцев, самая мирная. Он предназначен для выполнения маркетинговых и коммуникационных функций, работы информатором и сопровождающим – одним словом, этакий помощник-секретарь. Но отчего же Олег столько внимания уделяет ристалищам роботов? Вот что он сам говорит: «Выбор формата «битва роботов» отражает наше стремление максимально разнообразить конструкцию роботов, найти наиболее оптимальные формы, приводы и дополнительные приспособления, расширяющие функционал робототехники». К тому же, работа над боевым роботом позволяет максимально задействовать творческую фантазию конструкторов, программистов и членов команды, которые управляют машиной во время поединка. В каждой команде, заявленной на соревнования, по три человека. Они определяют конструкцию робота, наличие и количество манипуляторов, других устройств, которыми вооружают робота. Как говорили в старину, только честный кулачный бой выявляет победителя. Так и с роботами. По условиям битвы, роботы не должны иметь устройств типа бензопилы или кувалды, которые могут разрушить конструкцию. И все же нужно было найти такое решение, которое бы обеспечило победу.

Проводимые поединки подтвердили эти мысли. Оказалось, что наиболее удачной конструкцией для рестлинга стали так называемые «флипперы» – машинки, которые подбрасывают соперников, переворачивая их на спину и таким образом выводя из сражения. Но, как сказано в названии главы, в битве роботов нет побежденных. Потому что настоящие творцы робототехники во всем ищут рациональное зерно.

Многим из вас, наверное, знакомы детские игрушки – машинки-багги на батарейках, которые, даже опрокидываясь, тут же снова встают на колеса и продолжают движение. И вряд ли тот, кто гонял эти багги по косогорам, мог предположить, что принципы этих машинок легли в основу конструкции уникального боевого робота «Ежик», разработанного для нужд Министерства обороны России. Особенностью «Ежика» стала его феноменальная способность восстанавливать рабочее положение. (Как знать, может быть, именно роботы-флипперы подсказали конструкторам такое оригинальное решение? Это как борцы-дзюдоисты, которые в кувырке тут же со спины встают на обе ноги!)

Робот-минер, созданный в Новосибирске в конструкторском бюро «Спектр», изначально был задумал как машина-перевертыш, которая может ехать в любом положении – назад-вперед, боком, вниз головой. Такую способность «Ежику-М» придали инженеры, чтобы робота-минера саперы могли просто сбрасывать на ходу из боевой машины, а дальше умная техника сама бы двигалась к цели или управлялась оператором по радиосвязи. Робот-вездеход может продолжить движение даже после подрыва на мине или опрокидывания после близкого разрыва артиллерийского снаряда.

Минер – это уже вторая боевая специализация робота-перевертыша. Он способен нести полезную нагрузку до 20 килограмм, то есть, две противотанковые мины, и устанавливать их на танкоопасном направлении. Первая версия «Ежика» с индексом «Р» была выполнена как разведывательное устройство, а также для ослепления неприятеля, чтобы спровоцировать огонь на себя и тем самым демаскировать позиции противника. Робот-перевертыш уже прошел боевую обкатку в зоне проведения специальной военной операции. Опытная эксплуатация показала, что конструкторами для платформы были выбраны оптимальные движители. В условиях слякоти и низкой проходимости колесной техники «Ежик» устанавливается на гусеничный ход, как маленький танк. А когда земля немного просыхает, колесное шасси позволяет ему двигаться с большей скоростью.

О занимательном семействе боевых роботов мы расскажем в следующей главе, а пока обратимся к основной мысли, которая прозвучала из уст уважаемых людей, – техническое творчество молодежи открывает новые перспективные направления для развития робототехники.

Глава 13 (печальная!)

Опасные игрушки взрослых дядей

Кто‐то из философов заметил, что история человечества – это история войн. С этим утверждением сложно спорить. На самом деле, борьба за выживание вида животных, впоследствии названных Homo sapiens (Человек разумный), на протяжении тысячелетий вылилась в формы вооруженных столкновений. В отличие от других животных, населяющих нашу планету, только люди, получившие от природы разум и способность мыслить и творить, обратили возможность познавать мир в искусство воевать. При этом каждое техническое изобретение неизменно находило применение в военном деле. От примитивной пращи и метательного дротика, от колюще-режущих мечей и сабель, люди додумались до огнестрельного оружия, а впоследствии и до самого разрушительного – ядерного. Повозки, способствовавшие покорению расстояний, превратились в танки и боевые машины пехоты, крылья, поднявшие человека в воздух, стали носителем смертоносных бомб, а корабли и подводные лодки составили основу ядерной триады…

После ужасов двух мировых войн, которые пережило человечество, после ужасающих кадров атомных бомбардировок японских городов Хиросимы и Нагасаки, казалось, что люди должны образумиться и направить все свои силы и творческую энергию на созидательный труд, технический прогресс и гармоничное развитие личности. Однако на всякую светлую голову находится «черная» голова. В литературе это часто обыгрывали писатели, являя нам героев, страдающих раздвоением личности. Доктор Джекилл и мистер Хайд тому яркое подтверждение…

В начале 90‐х годов прошлого века у двух мировых держав – Советского Союза и Соединённых Штатов Америки, ведущих незримую «холодную» войну, а, проще говоря, военное соревнование, – возникло новое понятие – сетецентрические войны. Этот термин придумали американцы, хотя приоритет перехода на новые принципы ведения боевых действий с учетом последних достижений в науке и технике принадлежал советскому военачальнику, маршалу Советского Союза Николаю Огаркову.

Что же способствовало такому переходу? Прежде всего, создание орбитальной группировки спутников различного назначения. Находящиеся на околоземной орбите подвижные и геостационарные космические аппараты способны собирать и транслировать различные данные, вести аэросъемку в различных спектрах, выполнять разведывательные функции. А при оснащении соответственным оборудованием или вооружением – и наносить удары из космоса. Они и должны были стать основой новой системы управления войсками.

Существуют неоспоримые доказательства, и это признают и сами американцы, что стратегическую оборонную инициативу – использование космического оружия – придумал тогдашний президент США, бывший актер голливудского кино Рональд Рейган. Именно при нем велись наиболее интенсивные разработки спутников и новых видов вооружений. Может быть, это прозвучит парадоксально, но именно кино стало побудительным толчком для таких исследований и разработок. В те годы с ошеломляющим успехом прошел фильм режиссера Джорджа Лукаса «Звездные войны», в котором пришельцы сражались с землянами самым экзотическим оружием.

Второй причиной для разработки новой стратегии послужило развитие возможности интернета – этой всемирной паутины, при помощи которой появилась возможность связывать людей и устройства, находящиеся за десятки тысяч километров друг от друга.

Ну и третья причина – появление новых электронных компонентов, позволяющих изготавливать вычислительные комплексы большой мощности в миниатюрных форм-факторах. Современный смартфон многократно превышает по вычислительным способностям первые персональные компьютеры, чьи блоки едва помещались на рабочем столе.

Сетецентрическая система управления войсками обеспечивает связь и управление на всех уровнях боевых подразделений. Она позволяет объединить данные разведки, целеуказаний и оперативного контроля за действиями солдат на поле боя. И не только солдат, но и техники, оснащенной умными модулями. Такая система впервые объединила разнородные силы и средства, авиацию и противовоздушную оборону, танковые войска и артиллерию, флот, действующий поблизости с районом боевых действий.

По замыслу военных стратегов работа такой сетецентрической системы выглядит следующим образом. Спутник-шпион, висящий или пролетающий над территорией противника, ведет постоянное зондирование местности. При этом он регулярно пересылает полученные данные в пункт их обработки. Там все изменения, замеченные космическим «оком», анализируются. На основании анализа данных уточняется положение войск противника, характер укрепленных пунктов, места дислокации боевой техники, ее тип и количество. Эти данные привязываются к координатам на местности и передаются в войсковые подразделения. Ракетные войска и артиллерия получают конкретные целеуказания и готовятся к нанесению ударов. Танковые войска и мотопехота также получают сведения, которые ложатся в содержание приказов командиров частей. Ранее разведанные огневые точки, позиции средств поражения противника должны уничтожаться в первую очередь, чтобы обеспечить условия для наступательных действий. Благодаря тому, что компьютерная и коммуникационная техника помещается буквально на ладони, терминалами оснащаются не только командиры подразделений, но и рядовые военнослужащие. А наличие в их экипировке видеокамер с высоким разрешением обеспечивает вышестоящему начальству буквально визуальный контроль за картиной боя. Командиры, находящиеся в защищенных пунктах за сотни и тысячи километров от места ведения сражений, могут оперативно корректировать действия солдат на поле боя, информировать о вновь выявленных целях, указывать пути дальнейших маневров. Связь с авиацией, артиллерией и танками позволяет осуществлять маневр огнем, поддерживая начавшуюся атаку.

Идея подобной организации боевых действий нашла воплощение в реальных разработках. На вооружение советской армии в 1984 году поступила стандартизированная система управления «Маневр». Она предназначалась для использования в тактическом звене. В силу большого числа причин, эта система не получила должного развития. Уже в наше время сухопутные войска получили ЕСУ ТЗ «Созвездие». Для воздушно-десантных войск разработана аналогичная система «Андромеда – Д». А для более высокого оперативно-тактического уровня существует «Акация – М». В каждую из этих систем внедряют элементы искусственного интеллекта, который умеет работать с большими массивами информации. Электронный «военачальник» может проводить оперативно-тактические и иные расчеты, выявлять узловые события и обращать на них внимание командиров.

По мнению экспертов Центра международной безопасности Научно-исследовательского института мировой экономики и международных отношений имени Е. М. Примакова Российской академии наук, создание сетецентрических систем управления является общим трендом развития вооруженных сил в мире. Однако новые возможности создают и новые уязвимости. Сетецентрическая система не может работать без надежных систем разведки и связи, которые должны находиться в едином информационном поле. Такая система, с учетом ее масштаба, может легко подвергаться хакерским атакам и действиям систем радиоэлектронной борьбы. К тому же, созданы и переданы в войска вооружения, способные нарушить работу системы связи или подавлять деятельность радиолокационных станций, с помощью которых ведется разведка и борьба с воздушными и наземными целями, артиллерией и танками.

Справедливость такой оценки была подтверждена в 2003 году во время войны в Ираке коалиции государств во главе с США. Пентагон применил распределенную информационную систему боевого управления в звене «бригада-батальон-рота», то есть в тактическом звене. Все командиры подразделений и передовые артиллерийские наводчики получили карманные компьютеры для ориентирования на местности и передачи боевых донесений. Успеху способствовала не только такая система, но и качество самой иракской армии, у которой было значительно слабее вооружение, а личный состав не был обучен передовым тактическим приемам. Сказались и другие причины, но они лежат в иной плоскости, чем тема нашей книги.

В последующие годы идея сетецентрических систем управления войсками получила дальнейшее развитие. И произошло это, во многом, с появлением качественно новых вооружений, которые в обиходе называются боевыми роботами. Иное их название – дроны.

Дрон – это устройство, способное самостоятельно передвигаться в воздушной и морской среде или на земной поверхности без экипажа внутри. Управление дронами и команды на открытие огня подаются оператором, который может находиться за десятки, а то и сотни километров от дрона. Самые примитивные дроны могут быть изготовлены даже в кустарных условиях, что много раз показали события в Сирии или во время проведения специальной военной операции на Украине. Однако тяжелые беспилотники, имеющие на борту не только большой заряд взрывчатого вещества, или оснащенные бомбами или ракетами, чаще всего получают и «умную» голову. Их электронная начинка имеет системы спутниковой и оптической навигации, лазерную систему самонаведения, систему обнаружения и распознавания целей. Такие дроны могут выбирать цели самостоятельно, по заложенному в счетно-решающее устройство алгоритму.

В февраля 2001 года состоялся первый полет боевого робота нового поколения MQ‐9 Reaper (в переводе с английского «жнец» или «жатка». Это прозрачный намек на выражение «Grim Reaper» – «мрачный жнец» или «смерть»). У этого беспилотника, построенного одним из подразделений американской компании «Дженерал Дайнемикс», установлен турбовинтовой двигатель, позволяющий развивать крейсерскую скорость в 400 километров в час. В полете «Жнец» может находиться до 24 часов. Размах крыльев достигает 20 метров, обеспечивая хорошую подъемную силу, и дает возможность размещать на борту вооружение и разведывательную аппаратуру. MQ‐9 Reaper относится к разведывательно-ударным системам.

В отличие от пилотируемой авиации, беспилотные летательные аппараты имеют ряд преимуществ. Они не требуют нахождения в кабине специально обученных летчиков. Операторы, ведущие их по маршруту, могут меняться, передавая по смене пульт управления дроном. Стоимость одной такой «игрушки» значительно ниже, чем боевого самолета. Ну и беспилотники легче модернизировать, изменяя за счет незначительных поправок возможность увеличивать либо время полета, либо боевую нагрузку.

Экипаж БПЛА состоит из пилота и оператора электронных систем. В зависимости от боевого задания, БПЛА может нести разнообразные комбинации вооружений и электронного оборудования. Так, например, мультиспектральная система наведения включает телекамеры в видимом и инфракрасном диапазонах, телевизионную систему и лазерный целеуказатель. Такое оборудование позволяет проводить детальную разведку позиций противника в любое время суток и при любой погоде. Висящий, а точнее, парящий над укрепрайоном дрон может не только выявить и идентифицировать цель, но и подсветить ее лучом лазера, чтобы навести ракету или управляемый снаряд точно на цель. Успешное применение американских беспилотников во время боевых действий в Афганистане и Ираке обратили на себя внимание многих разработчиков такого вида вооружений. В некоторых странах были созданы аналогичные аппараты. Нашумела история с турецкими «Байрактарами», которыми оснащались некоторые армии. Они считались весьма эффективным оружием благодаря высоким летным качествам, большому радиусу действия и хорошей управляемости.

Однако вспомним закон Ньютона: всякое действие равно противодействию. Нашлась управа и на «жнецов» со «знаменосцами» (так переводится с турецкого «Bayraktar»). В Сирии и в ходе специальной военной операции на Украине турецкие беспилотники легко сбивались нашей противовоздушной обороной, и вскоре полностью прекратилось их использование на поле боя.

В районе акватории Черного моря российские истре-бители-перехватчики удачным маневром, не прибегая к оружию, прервали полет разведывательного беспилотника MQ‐9 Reaper, который потерял устойчивость и упал в море. К недостаткам таких вооружений в первую очередь относится их низкая скорость и маневренность. К тому же, далекому оператору труднее осуществлять маневр уклонения или изменения режима полета. Во-вторых, против беспилотников уже разработаны действенные меры – особые ружья, с помощью которых удается не только подавлять сигналы управления, но и принудительно сажать вооруженную птичку.

Роботизированные образцы вооружений служат не только в авиационных частях. Сетецентрическая система управления боевыми подразделениями использует и наземных, и надводных, и подводных роботов. Конечно, все разработки такого рода засекречены, но кое-что можно почерпнуть из открытых источников. Наряду с беспилотными летательными аппаратами типа «Ланцет», с помощью которых российская армия успешно борется с артиллерийскими батареями или бронированными машинами, на поле боя успешно испытываются новейшие боевые роботы. Одним из таких робототехнических устройств является комплекс «Маркер». Его продемонстрировали публике во время проведения военно-технического форума «Армия‐2022». Образец боевого робота был выполнен на двух типах шасси – колесном и гусеничном. Недремлющее око «Маркера» решено было использовать при охране особо важных объектов. В Роскосмосе такого робота-охранника использовали для контроля периметра космодрома «Восточный» в Амурской области. Возможности его значительные. Робот может патрулировать объекты наземной космической инфраструктуры. Эффективно выявляет нарушителей периметра охраны, идентифицирует их и перехватывает. При необходимости пресекает попытки проникновения или террористической атаки огнем бортового вооружения. «Маркер» в ходе испытаний показал себя и достойным защитником неба. Он легко расправлялся с беспилотными летающими аппаратами.

Отличную боевую эффективность роботу дали многоспектральная система технического зрения и нейросетевые алгоритмы обработки данных. Высокая автономность «Маркера» обеспечена гибридной силовой установкой, которая сочетает дизельный и электрический двигатели. Такой режим позволяет роботу-охраннику быть «на службе» двое с половиной суток!

«Маркер» хорошо вооружен ракетно-стрелковым оружием, а также имеет на борту «младших братьев» – квадро-коптеров-разведчиков, которые используются для того, чтобы расширить зону контроля. Боевая платформа оснащена радарным комплексом, позволяющим за одну секунду развернуть средства противовоздушной обороны и вести прицельный огонь по беспилотникам и дронам-камикадзе. Во время испытаний «Маркер» сумел отразить атаку роя БПЛА, летящих с разных направлений!

Стратеги, вырабатывающие принципы ведения современных высокотехнологических войн, робототехническим вооружениям отводят большое место. Преимущество изделий с искусственным интеллектом уже не нуждается в доказательствах. Именно поэтому мы узнаем о новых образцах такой техники, возможностях ее применения на земле, на море и в небе.

Одним из наиболее известных является роботизированный комплекс «Нерехта», созданный на заводе имени Дегтярева. Он построен на универсальной гусеничной платформе и используется для обкатки новейших технологий. Как настоящего бойца спецназа, робота учат действовать в связке с другими боевыми роботами, отрабатывая возможности искусственного интеллекта и новейших систем связи и управления. Задуманная для корректировки артиллерийского огня беспилотная машина получила крупнокалиберный пулемет со скорострельностью 600–750 выстрелов минуту. Этот огненный кинжал косит не только живую силу, но и легкобронированную технику. Управляют «Нерехтой» с пульта из командной машины.

Хорошо зарекомендовал сухопутный робот себя в ракетных войсках. Он надежно защищает подступы к стартовым позициям, а его оптико-электронная система, тепловизор, лазерный дальномер и баллистический вычислитель отлично справляются с дозорными задачами и днем, и ночью. В перспективных планах усовершенствованная машина сможет стать персональным «оруженосцем» пехотинца (вспомним средневековых рыцарей!) Она получит голосовое и жестовое управление, а вооружение будет синхронизироваться с автоматом пехотинца. Стоит ему взять на мушку неприятеля, как робот тут же последует его примеру.

Скажете, это совсем из области фантастики? Вовсе нет. Появилось сообщение об изготовлении опытных образцов роботов-снайперов. Такая снайперская винтовка обладает возможностью выявления живой мишени, определяет расстояния до цели и ведет учет поправок на ветер и температуру окружающего воздуха и выполняет точный выстрел. При этом сам человек-снайпер находится в защищенном блиндаже и управляет оружием дистанционно.

Настоящим былинным богатырем Ильей Муромцем стал самый тяжелый и мощный российский боевой робот, созданный на базе БМП‐3. Он имеет название «Вихрь» и сочетает в себе не только высокую маневренность, свойственную всем боевым машинам пехоты, но и завидную огневую мощь. 30‐миллиметровая автоматическая пушка, спаренный с нею пулемет и противотанковый ракетный комплекс позволяют господствовать на поле боя. Прикрывать такую технику в боях может даже собственное авиакрыло из четырех беспилотников.

Его более легкий собрат «Уран‐9», этакий «Добрыня Никитич», весит вполовину меньше, но при этом ничуть не уступает в вооружении. Помимо пушки и пулемета, на боевом роботе «Уран‐9» имеется еще огнемет «Шмель-М», чья разрушительная сила сравнима с разрывом снаряда гаубичной артиллерии калибра 152‐мм. Для борьбы с танками противника на «Уран» навешивается комплекс с ракетами «Атака», поражающими бронированную технику на расстоянии до пяти километров. При работе в паре с роботом-разведчиком, он служит мощным средством огневой поддержки пехоты. Электронная начинка боевого робота в состоянии обнаруживать на себе вражеский лазерный луч и закрываться дымовой завесой, выслеживать технику и живую силу противника. В зависимости от характера цели «Уран‐9» самостоятельно применяет то или другое вооружение.

Во всем мире нет оружия более знаменитого, чем автомат Калашникова. Его изображение даже находится на государственных гербах некоторых стран. Но не только стрелковым оружием славен концерн, получивший громкое имя талантливого конструктора Михаила Калашникова. Сегодня «Калашников» является многопрофильным объединением, у которого имеются разработки и в иных сферах. Одна из них – создание роботизированного оружия.

Недавно был разработана боевая автоматизированная система, названная «Соратником». Она обвешана видеокамерами и вооружена дистанционно управляемым боевым модулем, на который можно закрепить как пулеметы калибра 7,62 и 12,7 миллиметра, так и 30‐миллиметровые гранатометы АГ‐17А или восемь противотанковых управляемых ракет типа «Корнет-ЭМ».

Боевой модуль оборудован гироскопической стабилизацией вооружения и способен самостоятельно обнаруживать, сопровождать и уничтожать цели, определяя их тип. Мощное вооружение и серьезный комплекс наблюдения делают такую технику незаменимой для разведки, круглосуточного патрулирования и быстрой ликвидации враждебных элементов, проникших, к примеру, на режимный объект. Семитонный радиоуправляемый боевой робот работает в трех режимах и разгоняется на пересеченной местности до 40 километров в час. При прямой видимости его радиус действия достигает 10 километров. Кроме того, «Соратник» оснащается системой для взаимодействия с беспилотниками. Как и в случае с «Маркером», такое содружество значительно расширяет разведывательно-ударные возможности умной техники. Дорогостоящая внутренняя начинка упакована в бронекорпус, защищающий от стрелкового оружия и осколков мин и снарядов. Концерн «Калашников» не останавливается на «Соратнике». В технической разработке есть новые боевые модули и целое семейство роботизированных платформ легкого и тяжелого классов.

К примеру, в начале 2017‐го «Калашников» впервые показал напарника для «Соратника» – опытный образец роботизированного комплекса «Нахлебник» со средствами обнаружения и наблюдения, вооруженный авиационным пулеметом ГШГ‐7,62 тульского производства. По весу и огневой мощи аппарат уступает «Соратнику», и в бою будет играть скорее вспомогательную роль. К примеру, защищать «старшего брата» от живой силы противника.

Тем более, что пулемет у него для этого самый подходящий. Он сконструирован по схеме Гатлинга с вращающимся блоком из четырех стволов. В отличие от зарубежных аналогов, электричество для вращения ему не нужно – стволы раскручиваются отводом пороховых газов. Темп стрельбы в 6000 выстрелов в минуту начисто отобьет у врага желание приблизиться к «Нахлебнику».

Самым компактным изделием считается боевая роботизированная машина «Платформа-М». Разработанная ижевскими мастерами компании машина весит менее тонны. А по боевым возможностям мало чем уступает более крупным собратьям. Она вооружена четырьмя гранатометами АГС‐30 и модернизированным танковым пулеметом Калашникова (ПКТМ) калибра 7,62 миллиметра, укомплектованным боезапасом на 400 патронов. Скорость у боевой машины невелика, электрическая ходовая разгоняет машину максимум до 12 километров в час, зато куда ценнее автономность. На одной зарядке батарей робот способен без остановок двигаться в течение шести часов, что делает его отличным бесшумным патрульным. Он может охранять небольшую военную базу и расположение войск, находить и уничтожать диверсантов. Кроме того, платформа способна перевозить на себе до 300 килограммов полезной нагрузки. Броня выдерживает попадания из армейского стрелкового оружия.

Наш рассказ о боевых роботах был бы неполным без упоминания о морских робототехнических системах.

Исследования больших глубин способствовали рождению автономных подводных аппаратов. Для человека спуск под воду на двадцать-сорок метров сопряжен с опасностью для здоровья. И давление воды, и возможность возникновения кессонной болезни – это представляет большие проблемы. А плавание в северных морях чревато переохлаждением организма. Прочный корпус подводных лодок, батискафов и батисфер защищает экипаж от большого давления. Но если на исследовательских судах имеются манипуляторы и телекамеры, позволяющие видеть и работать под водой, то боевые субмарины такого оборудования лишены. Вместе с тем, имеется ряд задач, для которых необходимы выходы из прочного корпуса. Это и постановка минных заграждений или разминирование, и работа с подводными кабелями. Кроме того, подводные роботы могут использовать преимущества, которые дает глубина, – скрытно войти в акваторию порта или военно-морской базы, провести диверсионную работу и незаметно уйти или осуществить самоподрыв.

Вот почему ведущие морские державы, в первую очередь, Великобритания и США, активно занимаются разработкой, испытанием и постановкой в армию морских дронов. Многие специалисты утверждают, что именно с использованием такого оборудования было осуществлено минирование и подрыв подводных газопроводов «Северный поток».

28 апреля 2022 года в Калифорнии на воду был спущен первый из четырех опытных прототипов самого большого американского подводного беспилотника Orca XLUUV. Этот аппарат многие СМИ назвали своеобразным асимметричным ответом на создание в России ядерного подводного дрона «Посейдон». В действительности XLUUV – это неатомная беспилотная подводная лодка массой около 50 т, которая станет платформой для размещения различной полезной нагрузки с целью отработки применения подобных дронов.

В теории – и в зависимости от сменного модульного оснащения – американские «Орки» будут выполнять транспортные и противоминные миссии, заниматься разведкой, поисковыми работами на дне моря, вести радиоэлектронную борьбу, обнаруживать подводные аппараты потенциального противника и отслеживать их деятельность. В перспективе такой аппарат будет вооружен и торпедным оружием – самонаводящимися торпедами Mk46 и Mk48. Дальность действия «Орки» может достигать 6500 миль (это почти 12 тыс. км) и, с учетом того, что в его системе управления будут скомбинированы автономная система управления и работа под управлением командного центра, такая дальность позволяет выполнять задачи в любом районе Мирового океана.

Дроны меньшего размера и предназначенные, в основном, для выполнения разведывательных или противоминных действий, строятся в Великобритании, однако, по сравнению с беспилотными летательными аппаратами они не получили столь массового применения.

Опыт проведения специальной военной операции выявил тенденцию возрастания количества «умной» боевой техники. По запросам обеих воюющих сторон разработчики оружия ускорили работы над новейшей техникой, в том числе и использующей современные технологии и новые физические принципы. В большом количестве выпускаются сравнительно дешевые, но очень эффективные беспилотные дроны. Некоторая их часть снабжена сложными системами навигации, подавления сигналов станций радиоэлектронной борьбы, искусственного интеллекта, который обучен самостоятельно обнаруживать цели и атаковать их.

В армии Соединенных Штатов Америки на протяжении нескольких лет ведутся работы по созданию беспилотных разведывательно-ударных систем. Из лабораторий военно-промышленного комплекса вышло немало изделий, уже ставших сенсацией после боевого применения. Летающие и морские дроны стали привычным атрибутом высокотехнологичного вооружения, многие из них успели «повоевать» в современных конфликтах в различных районах земного шара. Однако в нашем случае разработчики явно переусердствовали с наделением боевой машины слишком самостоятельным «разумом».

На испытательном полигоне были расставлены цели-мишени. Их предстояло самостоятельно обнаружить, идентифицировать и уничтожить. Крылатый убийца получил задание и поднялся в небо. Он полетал над полигоном и выявил цели. После отсылки команды в пункт управления боевой робот устремился на мишень, но тут оператор отменил команду на открытие огня. Будь это обычный дрон, он бы либо возвратился на место вылета, либо самоликвидировался. Но беспилотник под управлением искусственного интеллекта, вероятно, почувствовал себя глубоко оскорбленным. Ведь ему начислялись бонусные очки за каждую выявленную и уничтоженную цель. (Чем не дрессура животных со вкусняшками!) И умный дрон принял собственное решение – убить оператора, который ему помешал…

Этот эпизод обсуждался во время саммита, главной темой которого было изучение потенциала военно-воздушных и космических сил будущего. Мероприятие, на котором присутствовало более 200 представителей научного сообщества и военных из разных стран, состоялось в Лондоне.

Существует термин «технологии двойного назначения». Он обозначает продукцию, которая может использоваться и в военных, и в мирных целях. Опыт роботизированных изделий, появившийся во время проведения специальной военной операции, станет базой для создания продукции, которая облегчит жизнь и труд человека.

Глава 14

«Низкие» истины высоких технологий

В 2025 году исполняется 200 лет с начала регулярного железнодорожного движения. Пытливый ум четырнадцатилетнего Ричарда Тревитика, сына одного из «инженеров», как в Англии называли механиков, обслуживавших паровые машины (по-английски они назывались «engine» и обозначали двигатель, машину, мотор, а технический персонал при двигателе, соответственно, звался инженером – «engineer»), задался целью установить паровую машину Джеймса Уатта на повозку. Несколько лет понадобилось пареньку, чтобы первый паровоз побежал по рельсам. И такой день наступил в далеком 1804 году. Двумя годами позднее Тревитик построил второй, более мощный паровоз, который исправно работал, но низкое качество чугунных рельсов затормозило внедрение паровой тяги.

Лишь в 1825 году паровоз, сконструированный Джоржем Стефенсоном, повел первый поезд между городами Стоктон и Дарлингтон. И началась двухвековая эра парового движения. За это время произошли громадные изменения и в виде тяги, и в использовании инфраструктуры, и в управлении движением поездов. Паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электрическим приводом. Были эксперименты с внедрением газомоторного подвижного состава и экологически чистых водородных двигателей и топливных элементов. После создания первых атомных реакторов, которые устанавливались на надводных и подводных кораблях, появились проекты атомных паровозов и тепловозов, в которых в качестве силовой установки использовались ядерные реакторы. Более того, чтобы поднять скорость движения, на Тверском вагоностроительном заводе был построен уникальный вагон, на крыше которого установили самолетные реактивные двигатели. Вагон доказал свою дееспособность, но сопутствующие движению рев турбины и высокая температура раскаленных газов, вырывавшихся из сопла, поставили крест на этом смелом эксперименте. Вагон-самолет стоит в качестве образца на Тверском заводе.

Все эти примеры показывают, сколь многогранной может быть техника железных дорог. А ведь тяга – это только один из элементов сложного хозяйства стальных магистралей.

Людям, живущим рядом с крупными сортировочными железнодорожными станциями, известна напряженная работа целого отряда железнодорожников. Круглые сутки не умолкает рабочий шум на станции. Прибывают поезда, выполняются маневровые работы, часть вагонов отцепляют от состава и направляют на сортировочную горку, с которой идет переформирование поездов. И все время рядом с железнодорожными путями находятся люди. Одни осматривают прибывший поезд, другие готовят отцепку вагонов и составляют маршруты для сортировочной горки, по которой грузовые вагоны будут катиться на свободные пути, чтобы собраться в новый поезд. Работа рутинная, но и очень ответственная и опасная, требующая большого внимания. Ведь «больной» вагон (а именно так называют рабочие станций подвижной состав, у которого выявлены неисправности), поставленный в цепочку поезда, может в пути следования вызвать крушение. Поэтому в осмотрщики вагонов назначаются опытные и внимательные рабочие, которые визуально могут обнаруживать поломку или предпосылку к ней. Нередко в кинофильмах можно увидеть осмотрщиков, которые ходят вдоль состава и деловито постукивают молоточком на длинной ручке по колесам, трогают тыльной стороной ладони подшипниковый узел. Если ослаб бандаж колеса – будет слышен характерный дребезжащий звук. А неисправность подшипника выдает его повышенный нагрев.

Грузовые поезда имеют в своем составе от восьмидесяти до ста с лишним вагонов – именно столько могут вместить приемные пути станций. Если принять во внимание, что длина каждого вагона составляет десять метров, то состав может уходить за километр. Представляете, сколько нужно пройти осмотрщику вагонов, чтобы проверить весь поезд? А ведь на станцию прибывает несколько десятков поездов в сутки!

Долгое время ручной труд был основным в работе станционных комплексов. Стрелочницы переводили в нужное положение стрелки, выполняя указание диспетчера. Машинисты гоняли туда-сюда маневровые тепловозы, разбирая составы и направляя вагоны либо на сортировочную горку, либо на пути, где формируется новый состав. А еще есть рабочие, которые закрепляют вагоны на путях, подкладывая под колеса специальные тормозные башмаки. Ведь бывали случаи, когда незакрепленный состав начинал движение под уклон, выезжал на основную магистраль и нередко приводил к крушению поездов.

С развитием железнодорожной автоматики, информационных технологий, робототехники ручной труд удалось свести к минимуму. Внедряются так называемые малолюдные и безлюдные технологии на железной дороге. Мы уже упоминали о движении пассажирских пригородных поездов без машиниста. Есть такие технологии и на сортировочных станциях. Первопроходцем стала станция Лужская Октябрьской железной дороги. На ней была опробована интеллектуальная система вождения маневровых локомотивов без машиниста. Технология такой системы несложная. На тепловоз устанавливается оборудование, которое может управлять движением и торможением локомотива. Вместо руки человека особые рычажные приводы двигают контроллер машиниста, который выполняет функции газа и обеспечивает движение вперед-назад, и тормозной кран. Тем самым управляют тепловозом, скоростью движения и остановкой. Но только направляться в ту или иную сторону слишком мало для интеллектуальной системы. Нужно, чтобы тепловоз замедлился перед стоящими вагонами, подъехал на самой малой скорости и зацепился автосцепкой за вагон. А в конце маршрута отцепился от него, оставив вагоны на нужном пути. Для прицельного торможения на локомотив спереди и сзади (тепловозы в обе стороны движутся с одинаковой скоростью и могут работать кабиной вперед и назад) маневрового тепловоза навешивают особые камеры технического зрения, лазерные дальномеры, называемые лидарами. Вычислительный бортовой комплекс получает от камер сигналы и управляет движением. При сближении со стоящим вагоном маневровый тепловоз автоматически замедляет скорость и мягко соударяется автосцепкой. После этого он начинает движение на нужный путь. Маневровый диспетчер сам устанавливает стрелочные переводы в нужное положение.

Роботизированная система уже полностью отработана, она прошла проверку не только на станции Лужская, но и на станции Екатеринбург-Главный. И доказала, что на искусственного машиниста можно положиться. На крупных станциях, где идет большая сортировка, работает обычно несколько маневровых тепловозов. Все они управляются по радиоканалам с единого диспетчерского поста. Диспетчеру достаточно ввести только номера путей, на которых будет формироваться состав и количество вагонов, которые нужно туда поставить с других путей, и автоматический установщик маршрута тут же выработает алгоритм движения.

Опыт Лужской послужил для отработки безлюдных технологий и на других станциях. Приоритет отдавался крупным сортировочным узлам, через которые идет самый большой грузопоток. Это Урал, Западная Сибирь и Дальний Восток.

Автоматизация и роботизация рутинных операций на железной дороге привели к созданию нескольких уникальных проектов. Один из них – Интегрированный пост автоматизированного приема и диагностики подвижного состава на сортировочных станциях (ППСС).

ППСС позволяет автоматизировать процессы диагностики и прогнозирования технического состояния подвижного состава вплоть до автоматической выработки решений по отцепке вагонов без прямого контакта с человеком. За такой сложной формулировкой скрывается целый набор элементов, которые позволяют проводить осмотр поезда еще до прибытия на сортировочную станцию. Внешне пост представляет собою металлическую прямоугольную арку, на которую навешивается диагностическое оборудование. Несколько камер проводят визуальный осмотр вагонов, следующих на станцию. Списывается номер вагона, в открытых вагонах проверяется наличие сыпучих грузов. Другие камеры обследуют тележки с колесными парами. Акустические датчики анализируют звуки, которые издает вагон, по ним определяется дефектность колес, закрепление бандажа и реборды (особого гребня, который удерживает колесо на рельсе), стук от нарушений по кругу катания. Термометры измеряют температуру подшипниковых узлов. Если узел греется выше допустимого предела, сведения о вагоне тут же поступают на станцию и осмотрщик избирательно осматривает именно этот вагон. В случае критического состояния система сама дает команду на отцепку вагона и его последующий ремонт.

Роботизированный пост ППС позволяет сэкономить до тридцати минут рабочего времени на каждый состав. А если учесть, что проверка осуществляется за несколько километров до станции, можно представить, как удобно стало работать с подобными комплексами. Рабочую проверку пост прошел на станции Батайск Северо-Кавказской железной дороги. Это один из крупнейших железнодорожных узлов на юге нашей страны. Через Батайск следуют поезда и в Крым, и на Кавказ, и в регионы Центральной России.

ППСС – не единственный робототехнический комплекс, используемый на железной дороге. Есть еще «железнодорожная черепаха», как ее окрестили посетители выставки на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ в подмосковной Щербинке. Это робот, который может передвигаться между двумя путями. Он оснащен камерами и рукой-манипулятором. Робот управляется искусственным интеллектом, который на основании данных, получаемых от камер и диагностических датчиков, находит тормозные устройства и, нажимая рычаг, выпускает воздух из тормозной системы. Происходит автоматическое затормаживание вагона. Обычно эту процедуру выполняют осмотрщики. Им нужно идти вдоль состава и методично нажимать на рычаги под вагоном. Робот делает это в разы быстрее.

Надо сказать, что роботизация Российских железных дорог двигается в ногу со временем. Отраслевые вузы и научно-исследовательские институты железнодорожного транспорта свой научный поиск ведут именно в прикладном направлении. Так, например, ученые Самарского государственного университета путей сообщения (СамГУПС) совместно с экспертами Куйбышевской магистрали создали опытный образец роботизированного расцепщика вагонов для сортировочной горки станции Кинель. Как пояснили разработчики, роботизация процесса расцепки позволит вывести работников из опасной зоны, перейти к безлюдным технологиям, а также значительно повысить производительность труда.

В настоящее время робототехнические системы становятся ключевым инструментом для повышения производительности труда и стандартов жизнедеятельности железных дорог. В отрасли на протяжении трех десятков лет создавалась и совершенствовалась информационная система управления железнодорожным транспортом. Огромные вычислительные мощности и оптоволоконные системы связи позволили увязать в единую информационную среду все предприятия, станции и вокзалы, локомотивные и вагонные депо и даже подвижной состав. Интернет позволил создать такие высокотехнологические комплексы, как «умный локомотив», «умная станция», «умный вокзал». И это не просто терминология. За этим обозначением стоят самые современные технико-технологические решения, которые позволяют вывести транспортные организации на новый уровень управления.

Безопасность железнодорожного транспорта всегда находилась в зоне особого внимания руководства отрасли. Неслучайно железная дорога является самым безопасным видом транспорта. Немалую заслугу в этом имеют системы, контролирующие состояние путей, контактной электрической сети и близлежащих объектов. Для их регулярного обследования созданы подвижные диагностические комплексы. Некоторые из них выполнены на базе пассажирского вагона. В купе размещаются рабочие, компьютерная техника и средства связи, а на тележках и под днищем вагона монтируется оборудование. Такой вагон ставится в состав, и во время движения поезда он проводит диагностику пути по многим параметрам.

Существуют и автономные комплексы, которые монтируются на обычный автомобиль-внедорожник. Его ходовая часть с сюрпризом – помимо обычных колес на них устанавливаются катки, позволяющие автомобилю ехать по железнодорожной колее, как поезд. Автомобиль приезжает к железнодорожному полотну, заезжает на рельсы и опускает колесо с ребордой – специальным гребнем, удерживающим колесо на головке рельса. И дальше авто мчит по рельсам, как самый обыкновенный поезд, снимая при этом показания состояния пути. Конечно, функционал у такого комплекса немного уступает вагонному, но имеются и явные преимущества: автономность, возможность выезжать на любой участок, обследовав который, автомобиль попросту съезжает на обочину и следует по шоссе.

В первые годы запуска высокоскоростного движения между Санкт-Петербургом и Москвой был разработан особый роботизированный комплекс, выполненный в виде небольшой тележки. Он оснащался приборами технического зрения и обеспечивал безопасность «Сапсанов». Возможно, эти идеи беспилотных диагностических устройств заразили своей эффективностью многих взрослых и юных исследователей. Потому что сейчас занимаются созданием роботов для железной дороги не только взрослые, но и школьники. Ребята из Волгограда, к примеру, построили работающий прототип беспилотного мультифункционального роботизированного комплекса «МРК‐750 Орлан». Он создан для контроля состояния верхнего строения железнодорожного пути, поиска дефектов пути и оперативного обследования мест происшествий на железной дороге. Платформа «Орлана» имеет модульную архитектуру. В зависимости от конкретных задач диагностики на подвижного робота навешивается соответствующее оборудование. Благодаря чувствительным датчикам «МРК‐750 Орлан» в пути следования измеряет ширину колеи, угол ее наклона, расстояние между рельсами. Встроенный трекер ГЛОНАСС/GPS контролирует местоположение устройства. «Орлан» также оборудован лубрикатором для смазывания рельсов. Вот такой умелец пополнил ряды железнодорожных роботов.

В РЖД на протяжении нескольких лет создавалась «Комплексная система пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта (КСПД ИЖТ)». Суть ее заключалась в создании цифровой модели стальных магистралей. Все объекты наносились на электронную карту, определялось их точное местоположение. Такая система позволяла буквально до сантиметра контролировать все пути железных дорог. Как действующих, так и проектируемых. Уже при начале строительства железной дороги или новой станции все данные о ней попадают в план, и работа путевой техники, монтаж рельсовых плетей, обеспечение необходимого наклона пути в кривых ведутся строго по проекту. Может быть, кому‐то доводилось видеть, как работают современные путевые комплексы. Огромные машины высотой в двухэтажный дом следуют по уложенным рельсам, высыпают и уплотняют щебеночную подушку, выравнивают плети, добиваясь ровной укладки. Так вот, эти машины можно с полной уверенностью отнести к отряду промышленных роботов. Их работа контролируется машинным вычислительным комплексом, точность позиционирования – спутниковой навигацией, а качество работы – камерами технического зрения.

Железная дорога – это не только пути и станции, но и мосты, и тоннели. Для контроля опор мостов сконструирован робот, которого назвали «Глайдерон». Многофункциональный надводно-подводный аппарат предназначен для диагностики состояния опор железнодорожных мостов и мониторинга рельефа дна. Во время опытных испытаний робот показал, что хорошо держится в надводном и подводном положении, может маневрировать вокруг опор или на фарватере реки и передавать данные на компьютер оператора.

Коль мы упомянули безопасность, не стоит забывать о пожарах. Для предотвращения опасной ситуации и оперативного тушения возгорания придумали пожарного робота с веерным распылителем. Он предназначен для работы на станциях, где есть нефтеналивные терминалы. Робот самостоятельно движется вдоль платформы, специальными камерами осматривает цистерны, фиксирует наружную температуру в районе погрузки. При возникновении пожара, как самый настоящий брандмейстер, робот тут же начинает тушить очаг возгорания и вызывает пожарный расчет.

Машинный интеллект такого робота обучается в предварительном порядке на будущем рабочем месте. Создается сложный план действий автоматического пожарного при возникновении нештатной ситуации. (Такие планы действий и эвакуации каждый из нас видел в домах, школах, любых людных местах и на транспорте). Он учитывает множество аспектов, знает маршруты подходов и подъездов к путям, места расположения пожарных гидрантов, а также местоположение штатного работника пожарной части железной дороги.

Еще один робототехнический комплекс для железной дороги создан магнитогорскими специалистами научно-промышленного объединения «Андроидная техника». Разрабатываются варианты двух типов – для отпуска тормозов и роспуска вагонов. Предполагается, что благодаря этой технологии человек может не находиться на опасных участках инфраструктуры, а также повысится уровень интенсивности обслуживания подвижного состава. Тем более что комплекс выдерживает низкие температуры. Он может работать при сильных снегопадах и резкой оттепели. В состав робототехнического комплекса вошли: мобильная платформа, манипуляционный робот, модули технического зрения, связи и безопасности.

Многофункциональные роботизированные комплексы разрабатываются и в отраслевых вузах. Их интеллектуальная начинка состоит из встраиваемых систем и микроконтроллеров для управления исполнительными механизмами роботов. Техническое зрение дает возможность машине вести распознавание образов и анализировать видеопотоки, геоинформационные системы в робототехнике точно позиционирует в пространстве. Уже упомянутые автономные платформы служат основой для многих железнодорожных роботов. Они дают возможность передвижения платформы в экстремальных условиях по заданному маршруту с высокой точностью параметров движения, а манипуляторы управляют целевой полезной нагрузкой с учетом внешних факторов. Кроме того, в роботов закладываются возможности эффективного использования «инстинкта самосохранения» – обнаружение, предупреждение и устранение опасных режимов функционирования.

Внедрение цифровых технологий в структуру российских железных дорог позволяет применить новые технические решения в техническом обслуживании подвижного состава. Цифровизация, автоматизация и роботизация становятся незаменимыми инструментами необходимой трансформации железных дорог. А это, в свою очередь, обеспечивает нам с вами комфортное путешествие в новых вагонах, а нашим грузам – быструю, точную и безопасную доставку.

Дороги Европы и Северной Америки существенно проигрывают в негласном соревновании с российскими стальными магистралями. По данным международного союза железных дорог, РЖД имеют самую низкую аварийность. Мы несколько раз становились свидетелями крупных аварий на железных дорогах США. Они были вызваны высокой изношенностью пути, низким уровнем прикладных программ, управляющих движением поездов, необорудованными переездами, что приводит к частым столкновениям с автомобилями.

В Европейском Союзе стараются следить за состоянием техники. Одна из основных транспортных организаций – Дойче Банн – вкладывает значительные средства в совершенствование диагностической техники, в том числе используя роботов. Deutsche Bahn инвестирует 55 млн. евро в процесс проверки поездов ICE с помощью роботов и искусственного интеллекта. Немецкий перевозчик внедряет технологию E-Check, основанную на использовании роботов и искусственного интеллекта (ИИ), на своем заводе ICE-Wartung в Кельне-Ниппес для технического осмотра и обслуживания поездов Intercity-Express (ICE).

В процессе проверки с помощью E-Check поезд ICE проходит через ворота с видеонаблюдением. Весь процесс проверки занимает не более пяти минут для самого длинного поезда ICE XXL длиной 374 метра с 13 вагонами. Дополнительно можно использовать мобильное подпольное устройство для проверки нижней части подвижного состава. После этого ИИ оценивает записи и сообщает о любых выявленных отклонениях от целевого состояния техническим специалистам на заводе. Техник проверяет изображение и решает, действительно ли есть ошибка. Затем заказ на работу автоматически отправляется на планшет сотрудников мастерской. Технология способна обнаружить как технические отклонения, например, неправильно посаженный винт, так и «косметические дефекты», такие как поврежденные пиктограммы на внешней стороне поезда. Кроме ИИ, для технического обслуживания поездов ICE также используются роботы. Они отвечают за снабжение поездов пресной водой и откачку сточных вод: роботы автоматически распознают люки на разных типах поездов, открывают их и присоединяют шланг. После завершения подачи воды или откачки робот самостоятельно закрывает заслонку и переходит к следующему люку. К 2025 году технологию E-Check планируют внедрить и на других заводах ICE в Берлине, Дортмунде, Гамбурге и Мюнхене. На данный момент на сети Deutsche Bahn в эксплуатации находится 357 высокоскоростных поездов ICE разных моделей. C 2024 года планируется ввести в эксплуатацию еще 79 заказанных поездов самой новой модели платформы ICE L.

А теперь давайте заглянем на десятилетие вперед и представим, что вычислительные нейросети получили свое дальнейшее развитие. Не знаете, что такое «нейросеть»? Это просто. Большие вычислительные мощности объединены в единую среду. База данных таких сетей содержит набор сведений обо всем на свете, а искусственный интеллект выуживает из этой базы необходимые данные и создает на их основе новое знание. Или новое произведение, или новый продукт. Существуют тысячи примеров, когда нейросеть становится средой развития. Причем возможности искусственного интеллекта уже напрямую приближаются к человеческому мышлению. Ему доступна логика, потому что формулы формальной логики легко перевести на машинный язык, а значит, легко ими оперировать.

Недавно ученые сконструировали даже робота-скульп-тора, наделенного искусственным интеллектом. Он, в точности выполняя знаменитое высказывание Микеланджело, отсекает от глыбы мрамора все лишнее и создает скульптуру на заданную тему. Правда, для этого человек создает трехмерную модель будущего произведения искусства. А затем уже робот-скульптор при помощи огромной руки-манипулятора начинает обрабатывать камень. В его руку можно поместить несколько инструментов – долото, шлифовочный диск, и машина будет методично и без отдыха и творческих мучений отсекать все лишнее, высвобождая запечатленный в мраморе образ…

Сравнительно недавно один из российских студентов при помощи нейросети написал дипломную работу. Вернее, написал ее компьютер, а студент-лентяй только сформулировал для вычислительной машины необходимые условия. Преподаватели вычислили подделку по характерным для машинного разума признакам, но отдали должное сообразительности студента. И если нейросети по плечу даже интеллектуальные задачи, то для более простых заданий перед роботами открыт широкий простор.

Вот теперь можно и заглянуть за горизонт. Представим на минуту, что нам хочется иметь собственный автомобиль. Причем не просто средство передвижения, а «машину-мечту». Отличную от всех собратьев, бегающих по нашим улицам и дорогам. Непохожую на них дизайном, отделкой, мощностью. В своем воображении вы уже увидели ее облик, прикинули необходимые размеры и определили мощность двигателя. Нарисовали шикарный салон и продумали мельчайшие детали интерьера. Вы идете на цифровой завод и диктуете нейросети свои требования. Точно так же мы делаем в салоне торговой фирмы, выбирая себе опции будущего автомобиля, которые дополняют базовую комплектацию. Менеджер автомагазина ставит определенные галочки, по которым слесари затем устанавливают на базовую модель дополнительные опции. То же самое возможно и в нашем автосалоне будущего. Только наш салон – это не просто магазин, а, скорее, автозавод. Машинный разум преобразует ваши пожелания в конкретные двигатель, трансмиссию, тормозную систему, кузов. Сам определит габариты и учтет все технические допуски. Выберет отделочные материалы для кресел и обивку салона машины. И пока вы выпиваете чашечку кофе, заботливо поднесенную вам роботом-секретарем, в цеху десятки машинных рук трудятся, собирая вместе детали. Несколько десятков минут – и ваша автомашина выезжает из цеха!

Скажете, так бывает только в сказках? «По щучьему велению, по моему хотению…» Не только в сказочных мечтах возможно такое. И тому уже есть интересные доказательства.

Всем знакомы исполины-электровозы, тянущие за собою сотню вагонов. Почти все они изготовлены на Новочеркасском электровозостроительном заводе. Кому посчастливилось увидеть, хотя бы по телевизору, помещения этого предприятия, тот видел стоящие машины в сборочных цехах. На каждом железнодорожном пути помещается сразу по несколько локомотивов. Вокруг них снуют электрокары, подающие слесарям-сборщикам детали, под потолком проносятся фермы мостовых кранов с зацепленным электродвигателем или собранной колесной парой. Это обычный ритм большого завода. Так вот, Новочеркасский завод стал первым в железнодорожном машиностроении предприятием, на котором реализуется концепция «цифрового» завода. Для НЭВЗ создан его «виртуальный двойник». Благодаря новейшим информационным технологиям удалось реализовать многие решения по автоматизации и роботизации производства. А цифровые двойники цехов позволяют имитировать каждую технологическую операцию в машинном мозгу, оптимизировать работы и проверить точность каждого решения. Рассмотрим коротко процесс создания новой техники.

Каждая машина рождается в чертеже. В прошлом конструкторские бюро были уставлены специальными кульманами – большими чертежными досками, за которыми трудились чертежники. Они рисовали каждую деталь будущего электровоза. Гайки, раму, тележку, колеса. Труд непростой, очень ответственный, поскольку эти чертежи затем передавались в производство, и уже по ним в литейных цехах отливались будущие детали. В токарных их обтачивали. В сборочных из подготовленных деталей собирались готовые узлы, вспомогательные агрегаты. Их затем устанавливали на раму, закрепляли, соединяли между собой. И в итоге получался электровоз. Оставалось его только подкрасить, и можно отправляться в поездку.

С развитием компьютерной техники и появлением специализированных программ типа «Автокад» труд чертежника сошел на нет. Теперь инженер-конструктор на большом мониторе видит объемную модель детали, над которой работает. Достаточно незначительных манипуляций на клавиатуре, и вот уже деталь увеличилась в размере или изменилась ее конфигурация. Конструировать новые изделия стало гораздо проще, и процессы создания новой техники сократились в разы.

А теперь представим, что наша электронная чертежная доска соединена через информационную систему с литейным станком или 3D-принтером. Нажатие одной кнопки – и пошла отливка или послойная печать нужной детали.

В этом и состоит смысл цифрового двойника завода. Весь процесс создания продукции выполняется умными машинами, соединенными в единую вычислительную среду. Машинный интеллект управляет людскими и материальными ресурсами, следит за ходом производственного процесса, оперативно расшивает узкие места, решает проблемы.

Цифровизация Новочеркасского завода позволила создать 3D-модели 12 цехов и территории завода. Это дает возможность организовать движение материальных средств по предприятию, выполнить расчеты потребностей в персонале и ресурсах. Кроме того, оптимизированы многие рабочие операции, что дает существенный экономический эффект, повышает производительность труда. Все производственные потоки – сварочно-кузовное, сборочное, малярное производство и испытательный передел – контролируются вычислительной сетью. Роботизация позволила использовать бесконтактные технологии. Есть такая технология RFID – радиочастотная идентификация изделий. На любую деталь наносится крошечная, буквально размером с песчинку, радиометка. В ней зашифрована информация об изделии. Обнаружить ее глазом бывает непросто, а вот приемник радиочастот не только легко определяет нужный предмет, но и получает сведения о нем. И теперь представим такую картину: по безлюдному складскому помещению движется робот-автопогрузчик. Он отыскивает нужную деталь, лежащую на стеллаже, захватывает ее и доставляет в нужное время к нужному месту. Это и есть элемент завода-призрака, за которым – будущее. Информационная среда, включающая и интернет вещей, может обходиться без участия человека на большом числе производственных площадок. За оператором остаются функции первичного ввода необходимых данных и контроль исполнения.

Умные машины получили возможность проявить себя и в деле, которое раньше выполняли наиболее квалифицированные слесари-разметчики. Речь идет о плоскостной резке металла. До этого такие операции выполнялись при помощи лекал и особых шаблонов. Над каждым листом «колдовал» очень квалифицированный человек, перенося при помощи мела, краски или чертилок очертания деталей корпуса. Затем в дело включался газосварщик, который ацетиленовым резаком разрезал лист. Работа была трудной и очень ответственной, ведь раскрой не допускал брака. Современные технологии существенно упростили и ускорили процесс заготовок из листового железа. При помощи лазерной разметки на рабочей поверхности создается точная голограмма, с помощью которой можно производить операции монтажа, резки, сварки, окрашивания без применения шаблонов, линеек, рулеток и других инструментов ручной разметки. Машина подгоняет будущие элементы с таким расчетом, чтобы допускались минимальные пропуски, это экономит металл. Компьютерное зрение контролирует безопасность технологических процессов и выявляет возникающие дефекты, отбраковывает детали, в которых нарушены размеры и т. д. Для электровозов на НЭВЗ так изготовляются клеммные рейки. Их оптическое сканирование позволяет проверять в целом качество электрического монтажа.

Цифровизация НЭВЗ позволила создать роботизированные рабочие места там, где труд особо напряженный. Роботы разрубают металл для изготовления статоров и роторов электродвигателей, режут плазменными резаками толстые листы проката для заготовок рамы, кузовных деталей. Роботы сваривают огромные многометровые детали, легко вращая заготовки в специальных рамах-станинах.

Роботизированный комплекс для сварки балки вагонной тележки представляет собой систему из двух сварочных роботов, расположенных в потолочном положении на колоннах, установленных на линейной направляющей. Каждая из независимых тележек роботов оснащена отдельным синхронизированным приводом. Общее количество одновременно управляемых, синхронизированных, приводов – 16. Комплекс имеет две рабочие зоны, свободно передвигается вдоль расположенной двенадцатиметровой линейной направляющей.

Как только заготовки балки попадают на производственную линию, два робота начинают сварку. Это ускоряет процесс и исключает простой оборудования, пока вращатель переворачивает балку. Роботизированный сварочный комплекс оснащен поисковыми сенсорами, станциями автоматической чистки горелок, системой безопасности и специализированными сварочными горелками, а манипуляторы обеспечивают доступ практически ко всем местам для сварки.

Мы затронули возможности цифрового производства. Сегодня даже маленькие дети уже настолько привыкли к возможностям интернета, что не представляют жизни без его подсказок, напоминаний, рассказов или демонстрации видео. А в последние годы воздействие всемирной паутины (так называют интернет из-за расшифровки WWW – wide world web) распространилось даже на окружающие нас предметы. И возникло новое понятие – интернет вещей IoT (от англ. Internet of Things). Это простое определение грандиозной концепции, которая открывает перед человеком новые возможности. Робототехника получает новый импульс развития благодаря интернету вещей. Ведь все производственное оборудование (вещи) интегрируется в единую информационную среду, взаимодействуя друг с другом и внешней средой. Посредством различных датчиков, контроллеров и другого программно-аппаратного обеспечения образуется CPS (cyber-physical system – киберфизическая система).

Управляющая система в режиме реального времени получает данные о каждой производственной единице, ее состоянии, загруженности, полученных заданиях, материально-технических ресурсах, необходимых для выполнения работы. Например: прежде чем начать превращение железной заготовки в металлоизделие, в виртуальном мире создается ее копия, которая проходит все этапы производства. При этом удается увидеть все сложности, издержки, с которыми придется столкнуться, не затратив пока ни одного рубля реальных денег. Таким же образом «рисуются» модели конвейерной сборки или предприятия в целом, например, завода, выпускающего 50 видов продукции.

Цифровые производственные модели («цифровые двойники») являются многоуровневыми макетами как технологических и производственных процессов, так и отдельных технологических операций, оперируют огромным количеством производственных объектов (оборудование, рабочие места сотрудников, сервисные службы и т. д). Функционирование таких моделей требует учета и анализа огромного количества разнородных данных. Это одна из причин, почему цифровое производство в современном значении этого слова потребовало существенного развития технологий, прежде чем стать возможным.

В машиностроении существует термин «green field», который на русский язык можно перевести как «в чистом поле» или «с чистого листа». Так говорят о производстве, созданном не на существующей технологической площадке, а буквально в поле. Многие предприятия, особенно в последнее время, строились именно так. Примером может послужить история Тихвинского вагоностроительного завода, который был построен для решения амбициозной задачи выпуска инновационных грузовых вагонов. Перспективное проектирование позволило сразу заложить в технологические площади максимум оборудования, в том числе роботизированные комплексы. И под выпуск промышленной продукции были «заточены» все информационно-управляющие системы, внедренные на заводе. Это позволило эффективно использовать производственные мощности, оперативно перенастраивать производство на выпуск новых моделей без коренной перестройки помещений и обновления станочного парка.

Если речь идет о создании «с нуля» завода или разработки месторождения, то цифровое моделирование позволяет снизить итоговые издержки на десятки процентов или даже в разы. Ведь, прежде чем установить новое оборудование или попробовать новые материалы, есть возможность провести эксперимент с «цифровыми двойниками». Причем этот эксперимент не будет ничего стоить, в то время как проведение реальных экспериментов часто весьма затратное дело. Это может даже останавливать руководство от экспериментов как таковых, хотя результаты некоторых из них могли бы дать компании новые преимущества. Точная математическая модель предваряет любые реальные процессы и дает возможность вычислить как издержки, так и эффективность запланированных изменений. В свое время бытовала поговорка: «Гладко было на бумаге, да забыли про овраги!» Эти опасения сегодня остаются в прошлом. Преимущества искусственного интеллекта и нейросетей, а также интернета вещей и технологии больших данных (big data) в том, что они учитывают все факторы, связанные с природой и погодой, мощностями, которыми в данный момент обладает предприятие, и перспективным технологическим вооружением создаваемых заводов. Искусственный интеллект получает сведения о квалификации инженерно-технического состава и рабочих и самостоятельно планирует повышение их компетенции за счет дополнительного профессионального обучения. Рабочий сегодняшнего дня, как нередко бывает на современных производствах, имеет инженерное образование, что позволяет ему работать на самом современном оборудовании, запускать в работу робототехнические линии, контролировать их действия, оперативно перепрограммировать цифровое оборудование. В промышленности повсеместно востребовано трехмерное моделирование. Кроме высокой точности, оно полезно тем, что помогает экономить на создании новых моделей. С помощью компьютерной графики предприятия постепенно уходят от долгих предварительных согласований, толстых бумажных документов с детальными описаниями будущего изделия.

Мы уже рассказали, как проектировщики ушли от чертежной доски. Сегодня конструктор работает над перспективными проектами, используя не только трехмерную графику, но и трехмерную печать. Принтеры (их по-прежнему называют так из-за сходства с получением результата) могут работать не только с легкоплавкими материалами в виде пластика, но и с разными металлами, их произвольным сочетанием, что позволяет реализовать самые удивительные изделия. Мне доводилось видеть в одной из компаний, занимающихся аддитивными технологиями (3D-печатью), изготовленную методом трехмерной печати на особом принтере деталь сопла реактивного самолета. Тончайшая скань металлической сеточки, отводящей тепло от сгорающего топлива, была выполнена машиной за несколько десятков минут, тогда как традиционные методы особо точного литья тугоплавкого металла занимают многие часы и требуют высочайшей квалификации персонала.

Еще одна особенность цифрового производства заключается в управлении жизненным циклом изделия. Это технология, внедрение которой набирает обороты. Жизненный цикл любого изделия начинается с моделирования и заканчивается его утилизацией. Обычно конструкторы и инженеры-технологи закладывают в будущее изделие, машину, станок определенный жизненный срок. Он зависит и от применяемых материалов, и от условий, в которых приходится работать агрегату, и от планово-предупредительных ремонтов. Для каждого сложного механизма определяют возможности его «здоровья» и сроки, когда нужно обращаться за «врачебной» помощью. Через определенное время слесари-эксплуатационники делают профилактический ремонт или обслуживание. На моторах меняют смазку и наиболее часто изнашивающиеся детали, к примеру, приводные ремни, фильтры. Их своевременная замена продляет срок службы машин.

А что, если агрегат сам сообщит доктору, что ему нужна срочная помощь? Думаете, это невозможно? Сейчас многие агрегаты и целые машины оснащаются различными датчиками, которые постоянно следят за состоянием оборудования. Если только какой‐то измеряемый параметр выходит за допустимые пределы, датчик подает команду вычислительной машине, и ее ставят на профилактику. Искусственный интеллект позволяет учитывать тысячи параметров, поступающих от различного оборудования, и давать прогнозы его технического состояния. Постоянное наблюдение за состоянием изделия (например, элементом станка) на всех стадиях его «жизни» – ключ к тому, чтобы вовремя проводить ремонт или замену износившихся частей. А значит, станок будет в итоге работать бесперебойно, а если это часть конвейера – то не будет тормозить своими выходами из строя работу всей линии.

Этот пример хорошо раскрывает одну из важных элементов концепции цифрового производства. Технология «интернет вещей» подразумевает, что каждое устройство самостоятельно подключается к интернету и передает туда данные. А также загружает информацию, которая туда поступила от других устройств. Такая технология сейчас внедряется даже в быту, например, в системах «Умный дом». Но главные ее пользователи – это промышленные предприятия, с их многочисленными датчиками и контроллерами, станками с числовым управлением, робототехническими комплексами. Одним из достоинств искусственного интеллекта является его способность к глубинному обучению. Deep Learning – как называют эту особенность англоязычные специалисты – позволяет обучать роботизированную технику выполнению множества операций. В машинный интеллект закладывают технологические данные на каждую операцию, а также функционал оперативного контроля производственной операции или готового изделия. Для этого используются измерительные приборы, датчики и системы технического зрения. После глубинного обучения перенастраивать поточные производственные линии можно буквально по щелчку компьютерной мыши. И в этом большое преимущество роботов перед обычными рабочими.

Глава 15

Кирпич бар, раствор йок! или Неожиданные аспекты применения роботов

Сообщение, которое выпустила компания-стартап Monumental, наверняка приведет в уныние многих трудовых мигрантов, которые рассчитывают поработать на российских стройках. Стартап создал строительных роботов с искусственным интеллектом. Железный каменщик конструктивно состоит из двух частей: тележки со строительными материалами и, собственно, очумелых ручек, точнее, манипулятора, которому по плечу выполнять кирпичную кладку. Робот имеет чувствительные сенсоры, датчики, а искусственный интеллект позволяет роботу легко маневрировать в пространстве, включая узкие углы и дверные проемы. В мозг робота заложены алгоритмы нескольких типов кирпичной кладки, и ему по силам делать даже сложные, художественные узоры. Понять, о чем идет речь, можно, глядя на здание Исторического музея, стоящего у Красной площади, здание ГУМа или башни и стены самого Кремля.

Кто видел, как каменщики кладут кирпичи, обращал внимание, что далеко не всегда стена получается ровной. Где‐то раствора берется немного больше, и его выдавливает наружу, где‐то слой слишком тонкий, потому что подручный не вовремя принес бадью с раствором. Автомат лишен этих недостатков.

В рамках производственного тестирования робот построил фасад офисного здания в Амстердаме. Результат превзошел ожидания будущих заказчиков, и более двадцати строительных фирм заключили контракт с Monumental для создания роботов для строительства доступного жилья.

Не хотелось бы давать своих оценок, но, видя наши строящиеся объекты, невозможно не заметить, что на площадке буквально ошивается множество рабочего люду, и далеко не всегда они обеспечены работой. Издержки строительная компания привычно перекладывает на кошельки будущих новоселов. А ведь президент России недавно сказал о том, что надо повышать производительность труда, значительно уменьшив долю малоквалифицированного труда. Произойти это может, в том числе, и за счет использования робототехники.

Не так давно прошли сюжеты о том, что строительные работы ведутся на громадном 3D-принтере. Искусственный каменщик смог выстроить большой дом, «напечатав», как делают сложные изделия его собратья более скромных размеров. Если соединить робототехнику и устройства для трехмерной печати, получится весьма эффективно работающая связка. И архитектору достаточно будет только загрузить чертеж в компьютер, управляющий этими строительными устройствами, и уникальные дома будут печься со скоростью, с которой дети в песочницах строят домики.

А какие еще интересные профессии, не требующие высокой квалификации, освоили роботы?

За примером далеко ходить не пришлось. Нынешняя зима превзошла саму себя. Столько снега россияне давно не видели. Дворники, вооруженные широкими лопатами, а иногда и небольшими роторными снегоочистителями, каждый день принимались за расчистку тротуаров. По улицам вереницей следовали оранжевые коммунальные машины, сгребая выпавший снег и нагружая им бортовые машины. Снегоплавильные установки работали круглые сутки, превращая белую кашу в воду…

С недавних пор на улицах Москвы можно увидеть нового помощника коммунальщиков – робота «Пиксель». Разработанный российской компанией «Автономика» робот предназначен для уборки улиц и парков.

«Пиксель» представляет собой компактное устройство с шарнирной рамой, благодаря которой он может легко маневрировать в ограниченном пространстве. Такую конструкцию имеют довольно известные машинки BobCat. Вооруженные подъемным ковшом, они легко справляются с земляными работами, подвозят горячий битум дорожным рабочим. И коммунальный робот обладает такой же подвижностью, что особенно удобно в городском хозяйстве, расчистке дворовых территорий и дорожек в парках. Управляемых колес у него нет, все управление возложено на раму. Он собран на базе отечественных и белорусских компонентов и оснащен машинным зрением и системой навигации, которая позволяет ему самостоятельно передвигаться по заданному маршруту.

Робот может работать как в автономном режиме, так и под управлением оператора. В автономном режиме «Пиксель» самостоятельно сканирует окружающую среду, определяет наличие мусора и убирает его с помощью специальных щеток и пылесосов. В режиме телеуправления оператор может контролировать действия робота и управлять им удаленно.

Робот был представлен год назад, эту машину тестировали на ВДНХ, а в настоящее время 10 роботов «Пиксель» уже приступили к работе на улицах Москвы. Их можно увидеть в парках, скверах и на пешеходных улицах. Выгода от использования коммунальных роботов очевидна. Ведь он может трудиться практически круглосуточно, и во время обильного снегопада и сразу после его окончания.

Мы уже упомянули о роботе-курьере, который разработала компания Яндекс. Похоже, фирма всерьез заинтересовалась робототехникой и создала роборуку для своего гигантского склада в Софьино‐2. Робот оказался не простой, а вооруженный нейросетью. Громадная рука с несколькими рабочими «пальцами» может ездить по складским площадям, находить нужный товар по радиочастотным меткам и формировать заказы клиентов. Сотрудникам остается лишь передавать подготовленные заказы в курьерскую службу для развоза по нужным адресам.

Нечто подобное мне довелось увидеть и на мытищинском заводе «Метровагонмаш», где строят поезда для столичной подземки. В заготовительном цехе имеются специальные терминалы, на которых рабочие-сборщики заказывают себе нужные детали. Они также имеют RFID-метки, и выдаются в соответствии с ритмом работы сборочного конвейера. Такая организация труда существенно повышает производительность труда и позволят четко выдерживать прохождение всех операций. Компьютеры следят за движением материальных ценностей, последовательностью поступления их в цеха на каждую сборочную позицию, и завод в целом выпускает расчетное количество составов.

Роботы бывают самые разные. В этом мы убедились в предыдущих главах. Но только ли этим ограничивается область их применения? Давайте подумаем, сколько времени отнимает у человека уход за домашним питомцем. А что, если переложить часть этих забот на умного робота?

И вот уже появляется добрый десяток роботизированных приборов, которые помогают ухаживать за кошками и собаками, следят за их питанием, соблюдают определенные гастрономические режимы. К примеру, умная кормушка проследит за тем, чтобы были в наличии и в нужное время подавались в миску животному сухие и влажные корма, чтобы всегда была свежая вода. Как это ни покажется странным, но домашние питомцы довольно быстро привыкают к такому помощнику хозяина, даже пытаются поиграть с электронной кормушкой или поилкой. Еще больший восторг у животного вызывает робот, который может поиграть с кошкой или собакой. И такие роботы имеются в продаже! Интерактивная лазерная указка будет играть с кошкой, заставлять ее ловить красного зайчика.

Кто‐то, может, подумает, что такие примеры использования робототехники слишком примитивны. Но наряду с ними создаются и очень сложные системы.

Хорошо известная своими графическими ускорителями и мощными процессорами компания Nvidia представила Project GR00T – универсальную базовую модель для создания человекоподобных роботов. Устройства, обладающие не только средствами передвижения, но и навигации, распознавания лиц, коммуникации, а также искусственного интеллекта, планируют использовать там, где трудятся обычные люди. Роботы будут востребованы на монотонных работах в складских помещениях, в больницах, а благодаря мощному вычислительному комплексу и «мозгам» смогут выполнять и более интеллектуальные задачи, в том числе и творческие. Язык программирования уже доступен для специалистов, которые работают по программе раннего доступа. Чип искусственного интеллекта, разработанный компанией Nvidia, будет генеративным, то есть, способным самостоятельно компилировать творческие задачи.

Другой гигант, известный своими игровыми компьютерами, – MSI – не стал заморачиваться человекоподобием роботов. Робот AMR-AI–Cobot Pro, оборудованный роботизированным манипулятором, предназначен для повышения производительности труда и обеспечения безопасных условий работы в различных промышленных условиях. Основу машины составляет вычислительная платформа Nvidia Jetson AGX Orin – она предлагает такие функции, как высокоточная навигация с одновременными локализацией и картографированием (Simultaneous Localization and Mapping – SLAM), обработка трехмерных навигационных маршрутов для эффективного перемещения, оперативное обнаружение объектов и поддержка сторонних приложений. Эта модель сможет работать на производстве полупроводниковых компонентов и электроники, на складах и в логистике, в текстильной промышленности, биотехнологиях и пищевой отрасли.

AMR-AI-Delivery Robot Pro располагает собственным набором функций искусственного интеллекта для обеспечения безопасных и эффективных услуг доставки. В том числе он поддерживает распознавание лиц и речи. Установленная здесь платформа Nvidia Jetson AGX Orin также предлагает комплект SLAM, 3D-навигации и быстрое обнаружение объектов. Робот будет полезным на заводах, складах, в медицинских учреждениях, офисах, жилых комплексах и торговых центрах.

Глава 16

«Элементарно, Ватсон!», или Задание на послезавтра

Наше стремительное время вносит существенные коррективы в повседневную жизнь граждан. В моем детстве на уроках труда мы мастерили деревянные киянки и табуреты. Сегодняшние учащиеся средней школы проходят азы технологии, робототехники и основы программирования. Глядя, как увлеченно ребята собирают роботов во время занятий в кружке робототехники в Детском технопарке, я удивлялся их безбоязненному обращению с наборами. Так и казалось, что, живи в наше время знаменитый сыщик Шерлок Холмс, на вопрос своего друга о создании робота он бы невозмутимо ответил: «Элементарно, Ватсон!»

И действительно, в десятках магазинов, таких как «Детский мир», можно найти в продаже несколько разнообразных наборов для сборки и программирования роботов. Работая над этой книгой, я нашел десятки компаний, которые либо выпускают, либо продают наборы-конструкторы роботов. Причем роботы там имеются на любой вкус. Хочешь – собери и обучи прекрасным манерам собачонку, хочешь – труженика, который будет приносить тебе тапочки или включать свет. Конструкторы так же просты, как и наборы для занимательных опытов по химии или физике. Все, действительно, элементарно. Нужно только немного усердия и желания идти от простого к сложному. Ведь не зря же говорится, что великое в малом!

Такими же доступными были несколько лет назад и многочисленные квадрокоптеры, которые несколько лет назад продавались на каждом углу. Управлялись такие бегающие или летающие игрушки при помощи простого пульта или смартфона, на мобильное же устройство транслировалась и картинка с высоты птичьего полета.

При помощи джойстиков или виртуальных кнопок такой игрушкой легко управлять. Дрон поднимается на небольшую высоту и визуального контроля оператора бывает достаточно, чтобы держать квадрокоптер в поле зрения и задавать ему маршрут полета. Устройство имеет видеокамеру, при помощи которой можно делать съемку местности или записать небольшой видеофильм. С дроном хорошо обследовать памятники архитектуры, ведь квардокоптер облетает, скажем, храм, или дворец, или высотное здание и в режиме реального времени передает картинку. А при необходимости такая игрушка может превращаться в почтальона, чтобы доставить прямо с неба небольшую открытку или сувенир вашим близким. С началом специальной военной операции полеты дронов были запрещены, чтобы не путать их с вражеской атакой. Но предварительное знакомство с подобной техникой позволило быстро подготовить операторов беспилотников.

С той поры конструирование беспилотников вышло на новый уровень. Созданы ассоциации производителей такой техники. И границы применения дронов существенно расширились. Они теперь могут работать курьерами, техниками-смотрителями объектов территориально распределенной инфраструктуры. Существенно возросли скорость движения и дальность полета, а также грузоподъемность.

То же самое касается и ребят, увлекающихся сборкой и программированием движения роботов. В школьных классах, технических кружках и секциях робототехникой занимаются десятки тысяч мальчишек и девчонок (я видел лично таких увлеченных конструкторов с косичками в технопарке «Образцово»). Далеко не все из них в будущем выберут себе профессию, связанную с созданием новых поколений роботов. Но навыки технического творчества не пропадут даром. Ведь талант конструктора не вырастает на пустом месте. Тому пример наше недавнее прошлое. В свое время в кружках авиамоделизма и планеризма занимались и знаменитые впоследствии авиаконструкторы Олег Антонов и Андрей Туполев, и создатель ракетной отрасли Сергей Королев.

Миссия «Ноев ковчег» 2.0, или Вместо назидательного заключения

… Адам смотрел на звездное небо, любуясь разбросанными по черной полусфере яркими созвездиями. Он узнавал их, полушепотом называя собственными именами эти далекие скопления межгалактической материи. Впервые странное чувство охватило Адама.

– Ева, – негромко позвал он стоявшую рядом, – тебе тоже это нравится?

– Нравится, – ответила она. И добавила: – Я думаю, что это будет прекрасный новый мир! И, может быть, те, кто наследует его, запомнят нас, как прародителей человечества.

Они помолчали, продолжая смотреть вдаль. Едва ощутимый ветерок доносил цветочные ароматы, на одном из густых деревьев вскрикнула птица, и снова тишина воцарилась в райском саду.

– Время нового творения наступило, – прервал молчание Адам. – Надо завершать миссию!

– А мне все же немного жаль, – сказала Ева, – что никто так и не узнает ни о нашем существовании, ни о нашем ковчеге, ни о том, как много мы сделали для нового человечества…

– Все потому, что ты – женщина!

Два биоробота снова умолкли, не в силах прочувствовать всю значимость момента и осознания того, что они сделали в глубинах Вселенной за эти несколько сот земных лет. Их послали зародить новую разумную жизнь далеко за пределами остывающей Солнечной системы. И все это время Адам и Ева, совершенствуясь и развиваясь, сделали то, о чем земляне писали в своих священных книгах. Высадившись на планету, похожую на Землю (ее отыскала за пределами галактики нейросеть «Коперник»), биороботы из первичных заготовок собрали первых роботов-помощников, которые принялись за работу. Используя минеральные ресурсы новой планеты, полчища роботов возвели первую защитную полусферу. Она предохранила от жесткого космического излучения примитивные растения, генетический материал которого прибыл вместе с биороботами на далекую планету. Живительный кислород стал наполнять полусферу, создавая привычную для землян атмосферу. И тогда Адам и Ева, роботы с человекоподобным интеллектом, запустили в работу биолабораторию, в которой из неорганических соединений создали первые организмы. Жизнь на планете, которую они назвали привычным словом «Земля», началась!..

… Будет ли так на самом деле в далеком будущем, никто не может сказать с высокой долей вероятности. Но развитие роботов дает возможность воплотить идею нового Ноева ковчега – способа сохранения и возрождения живого мира землян. Технологии, которые уже сегодня воплощаются в робототехнике, приводят к поразительным открытиям. Искусственный интеллект в сочетании с возможностями биопротезирования, генетическими исследованиями может стать тем самым легендарным Ковчегом, прибившимся к горе Арарат после Всемирного потопа. В лабораториях на биологических 3D-принтерах печатают «запасные части» к человеческому организму. Генная инженерия ищет пути создания людей, которые не будут подвержены болезням, а то и вовсе свободных от смерти…

Будет ли так в будущем, зависит от каждого из нас. А пока – занимайтесь робототехникой, творите новые миры и… будьте предельно ответственны!

Content

Александр Прасол
Роботы. История развития машин

Феномен Карела Чапека, или Вместо нудного предисловия

Глава 1 Ab ovo, или Родословная роботов

Глава 2 Механика, творящая чудеса

Глава 3 Пример пионера Вадима Мацкевича

Глава 4 От «однорукого бандита» до шестирукого Шивы

Глава 5 Промышленные роботы шагают по планете

Глава 6 Вкалывают роботы – счастлив человек!

Глава 7 Подсмотрено у природы

Глава 8 На пыльных тропинках далеких планет

Глава 9 По щучьему велению, ступайте, сани…

Глава 10 Многорукий тезка великого флорентийца

Глава 11 Сестра-сиделка, которая «never sleeps» (никогда не спит)

Глава 12 Битва роботов, в которой нет побежденных

Глава 13 (печальная!) Опасные игрушки взрослых дядей

Глава 14 «Низкие» истины высоких технологий

Глава 15 Кирпич бар, раствор йок! или Неожиданные аспекты применения роботов

Глава 16 «Элементарно, Ватсон!», или Задание на послезавтра

Миссия «Ноев ковчег» 2.0, или Вместо назидательного заключения