Мы сРОБОТаемся
/ Парадокс

Нигде в мире еще не придумали ничего подобного. Российскими конструкторами разработаны уникальные мини-роботы, способные взять на себя выполнение самых различных функций: от лечения заболеваний до поиска людей, оказавшихся под завалами. Эти хитрые механизмы могут перемещаться в ограниченном пространстве, летать и плавать. Главное достоинство таких мини-роботов - суперпроходимость. Действительно, мини-роботы способны творить чудеса, делая подчас многое из того, что находится за пределами возможностей человека и роботов больших размеров. Предотвратить аварийную ситуацию или техногенную катастрофу? Не проблема. Поработать в условиях повышенной радиации, опасных для здоровья человека? И это возможно. Обнаружить полезные ископаемые? Извольте.

У разработчиков этих устройств - специалистов Института проблем механики РАН - нет никаких сомнений в том, что уже в самом ближайшем будущем крупные многозвенные роботы (состоящие из нескольких звеньев сложные устройства, которыми преимущественно щеголяют японцы на самых разных выставках) уступят место роботам-малышам, составленным из миниатюрных звеньев. Микророботы - новое, совершенно иное направление в робототехнике. Скажем, если японцы идут по пути создания человекообразных роботов, по возможности наделяя их искусственным интеллектом, то российские ученые трудятся над изобретением таких устройств, которые подменяли бы человека только в том, что ему сделать не по силам физически. "Работая над созданием микророботов, мы не только удовлетворяем свои научные интересы, но и смотрим в перспективу, - говорит заведующий лабораторией робототехники и мехатроники Института проблем механики РАН профессор Валерий Градецкий. - Если человек возьмет робота в помощники, ему от этого будет только польза. Хитрые механизмы позаботятся о том, чтобы жизнь людей стала менее опасной: обезвредят мину, вовремя предотвратят аварию в поврежденной коммуникации, найдут и устранят неполадки в самолете".

"Умная пыль"

Понятно, что быть способными к выполнению таких функций могут только роботы миниатюрных размеров. Так, например, диаметр цилиндрического микроробота, умеющего передвигаться внутри труб, от 5 до 20 мм, а длина - 10-20 мм. Такие роботы не пропустят повреждение в трубе и к тому же сами в случае необходимости устранят неполадки. Причем их можно отправить в своеобразную экспедицию не только по шероховатым и металлическим трубам, но и по гладким и стеклянным. Маленький "пешеход" имеет при себе единственный, зато зоркий глаз - микротелекамеру или датчики, чутко реагирующие на микротрещины, недоступные человеческому глазу, или на другие внутренние неполадки. Робот с гибкой кинематикой способен поразить воображение незамысловатым трюком: возьмет да и сделает кувырок-разворот в узкой трубе и продолжит движение в обратном направлении. "Программа движений микроробота должна быть гибкой и легко перестраиваемой, а также нацеленной на то, чтобы научить робота интерпретировать, планировать и выполнять полученное задание без вмешательства извне, используя собственную вычислительную систему, - объясняет Валерий Градецкий. - Кроме всего прочего, он запрограммирован на достижение заданной цели в известной или неизвестной среде, избегая столкновений со стационарными препятствиями и подвижными объектами".

Но даже эти роботы - сущие гиганты по сравнению с другими, совсем крохотными, размер которых не превышает доли миллиметра. "Возьмем, к примеру, микрочастицы, которые мы называем "умная пыль", - рассказывает профессор Градецкий. - Каждая пылинка - это тоже миниатюрный робот. Допустим, требуется определить уровень загазованности окружающей среды или радиационный фон. Для этого в определенном месте выпускается облачко пыли серого цвета, и если оно меняет окраску на красный цвет - это свидетельствует о загрязнении".

"Червяк", "рыбка", "змея" и другие

"Умные" микророботы могут найти применение в самых разных областях, но, пожалуй, наиболее перспективное направление - медицина. Московские медики довольно давно и всерьез рассчитывают на роботов в лечении некоторых заболеваний. В настоящее время, например, специалисты Института Склифосовского получили редкую возможность понаблюдать в действии макет миниатюрной капсулы для проведения диагностики желудочно-кишечного тракта, разработанной Институтом проблем механики РАН. Капсула действует по тому же принципу, что и микроробот, перемещающийся внутри труб. Заметим, что американцы изобрели подобную капсулу, поместив внутрь нее телекамеру. "Но телекамера не дает полной картины о состоянии кишечника, может упустить что-то важное, - говорит Валерий Градецкий. - Мы же вмонтировали в нашу микрокапсулу датчики, фиксирующие давление, температуру и кислотность. Этих трех параметров вполне достаточно для того, чтобы cделать выводы о состоянии здоровья пациента и поставить диагноз. Капсулы проходят успешные испытания на модели, и скоро придет время, когда их можно будет отправлять в кишечник человека".

Процедура обследования с помощью мини-капсулы безболезненна, чего нельзя сказать о гастроэнтерологическом зонде, который доставляет больному много неприятных и даже болезненных ощущений. На пациента надевается специальный фартук, затем он проглатывает капсулу, которая начинает свое путешествие по ЖКТ. Фартук разделен на множество ячеек, к которым прикреплены микромагниты, фиксирующие траекторию движения капсулы. Поскольку выходит капсула естественным путем, то ее пребывание в организме человека может продолжаться несколько часов. Кстати, время прохождения разных участков кишечника тоже учитывается, потому что задержка капсулы на каком-то участке дольше положенного времени сигнализирует о наличии источника болезни. "Определив больное место, можно в этот квадрат направить другую радиокапсулу со специальным контейнером. В нужном месте она с помощью контейнера заберет содержимое для лабораторного анализа. Если врачи убедятся, что операции можно избежать, они отправят третью капсулу с необходимым лекарством, и в проблемном месте механизм выбросит его", - рассказывает главный специалист-конструктор лаборатории робототехники и мехатроники Леонид Кравчук.

Самое интересное, что применение таких капсул - не фантастика. "Если поставить их производство на поток, они будут доступны всем. Их стоимость может быть не более 200 рублей, - утверждает Валерий Градецкий. - А спрос на них уже сейчас огромен. Только одному Институту Склифосовского, по предварительным подсчетам его врачей, потребуются сотни тысяч капсул в год".

Невероятно, но уникальные микроустройства в силах поставить на ноги даже обездвиженных людей, например перенесших перелом позвоночника. Хитрый робот может заново научить их ходить. Ученые Института проблем механики РАН работают над созданием специального ортопедического аппарата. В ноги больного вшиваются металлические вставки. Над коленями закрепляются два основных механизма, которые приводят ноги в движение. На руки надеваются специальные перчатки, на кончиках пальцев которых располагаются микродатчики (или микророботы), посылающие импульсы устройствам на ногах. Нажал на один палец - сделал шаг, нажал на другой - остановился, нажал на третий - присел и отдохнул, на четвертый - встал и т. д.

"Институт авиационной и космической медицины попросил нас сделать робота, который мог бы проникать в труднодоступные места при техногенных и природных катастрофах. Мы изобрели экземпляр, который может найти под завалами человека и определить, живой он или мертвый, по биосигналам температуры и стуку сердца, - рассказывает Леонид Кравчук. - Внешне этот микроробот похож на червяка и двигается по тому же принципу. Он может пролезть в небольшую щель или проскользнуть в развалины разрушенного строения. Другое устройство, робот-"гусеница", обладает маленькими присосками, поэтому может шагать по стеклу, по деревьям, по любым вертикальным поверхностям".

Робот-"змея", как и "червяк", просачивается в землю, в снег, в горные породы, в засоренные трубы. Микроробот-"оса", что уже следует из его названия, умеет перемещаться по воздуху, а поэтому может долететь туда, куда по земле человеку не пробраться. Двухзвенный подводный микроробот, похожий на крохотную рыбку, запросто найдет человека в необъятных морских глубинах. У него нет как такового двигателя, поэтому он перемещается преимущественно за счет инерции и совершенно бесшумно. Он не только сумеет найти утонувшего человека, но и определит, если надо, местонахождение неприятельского водолаза.

"Червяк", "рыбка", "гусеница", "змея" и "оса" не устанут, не пропадут и не сломаются. Специалисты зададут им программу, и они будут работать столько, сколько необходимо для достижения результата. От своих старших многозвенных собратьев микророботы отличаются по целому ряду рабочих параметров: ходовой части, применяемым приводам, системам управления. Устройство миниатюрного робота на первый взгляд очень простое: электромагнитный привод и непосредственно механизм, включающий в себя двигатель, несколько датчиков и устройство сцепления с поверхностью, которое позволяет роботу передвигаться даже по совершенно гладкой поверхности, например стеклу. Любому человеку, хоть мало-мальски знакомому с законами физики, известно, что всякое движение возникает за счет сцепления с поверхностью. Так, на движение человека оказывают влияние силы трения и гравитации. На перемещение микророботов, помимо силы трения, влияют силы поверхностного натяжения, а вот роль гравитации значительно меньше. Отсюда следует, что традиционные методы управления многозвенными роботами (комплексное программное управление) не подходят для миниатюрных роботов, к тому же зачастую действующих не поодиночке.

Исходя из этого, специалисты Института проблем механики РАН предложили вариант распределенного иерархического управления несколькими системами. "Микроустройства распределяются в пространстве или на плоскости. Каждый робот имеет свою собственную локальную систему управления, но помимо нее действия координирует еще и глобальная система управления, - объясняет Валерий Градецкий. - В отношении миниатюрных роботов можно использовать адаптивное управление с элементами искусственного интеллекта или управление на основе нейронных сетей, которое осуществляется за счет перераспределения потоков информации. Искусственный интеллект робота - это его умение оценивать и обрабатывать информацию об окружающем мире и, что особенно важно, автоматически и самостоятельно принимать решения в самых сложных условиях.

Профессор Валерий Градецкий уверен: "Микросистемная техника в настоящее время занимает умы ученых во всем мире. Все прекрасно понимают, что миниатюрные устройства могут быть весьма полезными для усовершенствования традиционных и современных технологий (биологических, медицинских, авиационных, ракетных, навигационных), а также для развития нефтяной, газовой, автомобильной промышленности. Пока мы находимся у самых истоков внедрения мини-роботов в жизнь. Но в дальнейшем, когда их будут широко использовать, а это непременно случится, все смогут убедиться, насколько существенно они облегчат жизнь человеку".