Человек давно заимствует свои идеи у природы для обыденной жизни, а бионическая робототехника воплощает их в конструкторские решения и информационные технологии. Кибернетические механизмы, искусственные органы, умная кожа, новые материалы, иногда превосходящие по характеристикам природные аналоги – все это реалии высокотехнологичного производства.
Эпоха заводных рыцарей
Первое механическое животное создали еще древние греки. В 350 году до н.э. философ, полководец и математик Архит Тарентский сконструировал голубя, который мог самостоятельно летать при помощи переменных воздушных потоков. В впоследствии он стал прототипом модели аэроплана.
Первый прообраз человекоподобного робота собрал великий Леонардо да Винчи в 1495 году. Созданный им заводной рыцарь умел не только садиться, но и двигать руками, головой и челюстью. Благодаря этим особенностям было сложно отличить робота в тяжелой, неповоротливой броне от живых аналогов.
С 60-х годов прошлого века роботы начали приносить пользу, выполняя тяжелую работу на производства. Например, они красили машины и вытачивали детали качественнее и дешевле людей. Правда, эти роботы были весьма примитивны. Причина проста: в искусственной среде промышленных цехов были не нужны особо сложные решения, но за пределами заводских ворот все оказалось гораздо сложнее.
Например, для перемещения робота в пространстве использовались колеса. Однако они бесполезны в условиях бездорожья, поэтому с 1960-х ученые пытались делать шагающих и ползающих роботов по образу и подобию живых созданий. Задачка оказалась не из простых, поэтому первые шагающие устройства появились сравнительно недавно.
Звериная армия
Разработки в области бионической робототехники развивают медицину, электронику, не говоря о военных технологиях. Армия быстро оценила потенциал бегающих и летающих роботов. Так, например, американцы профинансировали создание целого боевого робо-зоопарка: робота-гепарда, блоху, колибри, червя и мула. Самым знаменитым роботом стал BigDog – вьючный робот, разработанный компанией Boston Dynamics.
Также полезным оказался «безголовый ослик», созданный для переноски грузов в труднодоступных местностях, включая горы. И пока забавный агрегат, стучит копытцами по камням, становится звездой Youtube и образцом для копирования китайской армией, другие создания робо-зоопарка выглядят уже не столь безобидно.
Atlas – безголовый человекоподобный робот почти двухметрового роста, весьма ловко бегает, а поединок с этим 150-килограммовым гигантом не оставляет человеку шансов на победу. WildCat, четырехногий робот с бензиновым двигателем, способен развивать скорость 32 км/ч – ни один человек от него не убежит.
В создании роботов от американцев не отстает немецкая компания Festo. Их точность копирования природы поражает. В коллекции компании более десятка механических созданий: от роботов-акул, пингвинов и кенгуру до медуз и муравьев. Они копируют не только форму животных, но и их приемы: робот-хамелеон захватывает добычу почти как настоящий, роботы-кенгуру аккумулируют энергию приземления для следующего прыжка, а полуметровая механическая стрекоза ловко маневрирует, благодаря тринадцати степеням свободы.
Однако, копирование формы – только половина дела. Механизм, созданный инженерами, все еще не так совершенен, как оригинал, созданный природой. Поэтому робот-гепард бегает в четыре раза медленнее настоящего животного, «безголовый ослик» медленно ковыляет, жутко тарахтит керосиновым двигателем, а роботы-насекомые страдают от нехватки питания. Бегают и летают они либо на проводе, либо крайне недолго.
Нечеловеческий прогресс
Следующим шагом в развитии роботов стало создание киборгов. Инженеры начали заимствовать не только идеи эволюции, но и ее результаты – животных. В 2006 году американское агентство военных разработок DARPA начало финансировать разработку насекомых-киборгов. Их использование в качестве шпионских устройств дало новый смысл понятию «жучки».
Первые пригодные к использованию киборги появились уже в 2009 году. В качестве живой платформы ученые использовали в жуков-носорогов, которым имплантировали шесть электродов в мускулы, мозг с контроллерами и радиоприемники. Известно, что жуки-носороги обладают высокой грузоподъемностью – около 3 грамм, поэтому помимо управляющего блока на жуках поместили дополнительное оборудование: видеокамеры, микрофоны и датчики.
Технологии на грани фантастики
Ключевая проблема киборгов – источники энергии. Используя живые создания, инженеры частично ее решили: основная часть энергии, необходимая для движения, добывается насекомыми самостоятельно – из пищи. Но их «бортовое» оборудование требует электроснабжения, а аккумуляторы для насекомых груз весьма тяжелый.
Солнечные батареи, наклеенные на крылья, лишь отчасти решают проблему – солнечного света не всегда хватает. Поэтому вырабатывать энергию заставили самих насекомых. На них разместили пьезоэлектрические генераторы на основе специальной керамики. Она вырабатывает электричество при механическом напряжении.
Но как быть с существами, к которым приспособить генератор просто некуда, например, тараканами? Их целиком превратили в топливные элементы. Для этого в насекомое втыкаются два электрода. Анод покрыт ферментом, который расщепляет трегалозу – углевод, заменяющий насекомым глюкозу – и за счет этого получается электрический ток. Насекомые при этом почти не страдают, вырастает только аппетит, ведь теперь им нужно питаться не только за себя, но и за комплекс оборудования на спине.
В интернет-магазинах США можно за $99 заказать комплект для превращения обычного таракана в киборга. Он весит 4,5 грамма и состоит из управляющей платы, трёх электродов и литиевого аккумулятора. Крысами научились не только управлять, но и улучшать навыки. Например, подключение к мозгу грызуна инфракрасных камер расширяет возможности ориентации и наблюдения, а управление центром удовольствия позволяет быстро научить зверька определенным моделям поведения. Например, поиску взрывчатки или людей.
Кто следующий?
Вершиной бионического роботостроения, конечно же, станут люди-киборги. Ученые уже серьезно продвинулись в этом направлении. Сейчас никого не удивишь встроенными стимуляторами сердца или слуховыми аппаратами. Еще с 1990-х годов потерявшим зрение людям вживляют датчики света, подсоединяемые к мозгу. Разработаны несколько моделей искусственных рук, которыми можно управлять силой мысли также как живыми и, более того, получать обратную связь — осязание.
Ученые уже успешно пересадили искусственное сердце, а достижения нейроэлектроники вскоре позволят не только управлять искусственными конечностями и механизмами, но и «прокачивать» людей. Так, к мозгу можно будет присоединить дополнительные накопители информации напрямую подключаться к интернету, и это не предел.