Таракан – образец для создания сложной системы
Над созданием автономных роботов, способных адаптироваться к условиям окружающей среды, инженеры работают уже давно. Теперь немецкие ученые предложили новый подход к решению этой проблемы: теорию хаоса
Конструкторы многих стран мира уже не первый год упорно работают над созданием компактных автономных роботов, способных перемещаться по труднопроходимой местности, преодолевать разного рода препятствия и все же находить дорогу к цели. Потенциальная сфера применения таких устройств весьма широка – от исследования инопланетных миров и решения военных задач до поддержки служб спасения в зонах стихийных бедствий или техногенных катастроф.
Вот только по-настоящему крупными успехами роботостроители похвастаться пока все же не могут, несмотря на проводимые с 1997-го года ежегодные международные чемпионаты RoboCup. В ходе этих состязаний проверяются на практике те концепции и технические решения, с которыми инженеры связывают на данном этапе свои основные надежды и которые, возможно, когда-нибудь войдут в наш обиход и начнут определять нашу повседневную жизнь.
Немецкие роботостроители – в числе мировых лидеров
Активно и вполне успешно работает в области роботостроения целый ряд немецких университетов и исследовательских центров – недаром немецкие команды из года в год занимают самые высокие места во многих категориях и дисциплинах уже упомянутого чемпионата.
И вот теперь новый подход к решению проблемы управления роботом – вернее, самоуправления, ведь речь идет об автономных роботах, – предложили специалисты расположенного в Геттингене Центра вычислительной неврологии имени Юлиуса Бернштейна. Сконструированное ими шестиногое самодвижущееся устройство длиной 40, шириной 30 и высотой 12 сантиметров напоминает некое устрашающего вида насекомое, только очень крупное. А мозг робота – это закрепленный на его спине миникомпьютер.
Разработчики назвали свое детище Amos-WD06. Один из участников проекта, таиландский инженер Порамате Манонпонг (Poramate Manoonpong), уже много лет работающий в Германии, говорит: “Образцом для этого робота послужил таракан. У нашего робота шесть ног, каждая имеет три сустава, приводимых в движение сервомоторами. Кроме того, у робота есть еще одно сочленение на спине, чтобы он мог карабкаться на препятствия. Помимо 18 двигателей, робот оборудован еще и 18 сенсорами – тут и видеокамеры, и датчики ускорения, и измерители угла наклона, и многое другое. И информация, собираемая этими сенсорами, непосредственно влияет на поведение робота”.
Впрочем, ни в механической конструкции робота, ни в том, что он способен адаптироваться к условиям окружающей среды, ничего нового и интересного нет. Гораздо интереснее, какими методами этот результат достигается.
Главной инновацией проекта стала система управления движением робота. В ее основу легла особая электронная схема, своего рода искусственная нейронная цепочка, смоделированная с применением методов нелинейной динамики. Этот раздел физики изучает системы, описываемые дифференциальными уравнениями, содержащими и нелинейные функции, что приводит к весьма существенному усложнению и увеличению количества возможных решений. Используемый при этом математический аппарат принято именовать теорией хаоса.
Экспромты вместо домашних заготовок
Необычность подхода геттингенских конструкторов заключается в том, что они создали робота, который подчиняется не заранее заложенной в него программе, а командам, генерируемым непосредственно на основе информации, поступающей от сенсоров. При этом он еще и учится, то есть как бы набирается опыта. Ученые из Геттингена заставили свое детище преодолевать различные маршруты, на которых его поджидали всякие неожиданности – подъемы, спуски, ямы.
“Робот перемещается совершенно автономно, – поясняет Порамате Манонпонг. – Если на пути у него возникает препятствие, он старается его обойти; если препятствия нет, он просто продолжает двигаться вперед. Если вдруг начинается подъем, он замедляет ход; если подъема нет, он движется вперед с прежней скоростью”.
Самое поразительное в этом техническом решении не то, что робот адаптирует свое поведение к окружающим реалиям, а то, что столь сложное устройство с 6 конечностями и 18 моторами, как выясняется, вполне эффективно управляется крайне простым электронным мозгом, состоящим всего из двух нейронов. Во всяком случае, робот всегда выбирает оптимальный режим движения и даже если его нога проваливается в яму, быстро выходит из положения.
“Мы установили на опорные точки ног робота сенсоры давления, которые извещают его о том, находится его конечности в контакте с грунтом или нет, – говорит Порамате Манонпонг. – Как только одна из ног теряет опору, соответствующий сигнал сенсора запускает генератор хаотических движений, и робот начинает подергивать конечностями до тех пор, пока как-нибудь не высвободит ногу из ямы”.
В ходе испытаний это инновационное решение доказало свою эффективность: процедура высвобождения конечности из плена занимала в среднем менее 20 секунд.
“Кто-то скажет, такой робот может использоваться службами спасения, поскольку он легко преодолевает препятствия, – поясняет Порамате Манонпонг. – Но нас занимал, прежде всего, вопрос, можно ли с помощью очень простой нейронной цепочки научить весьма сложную систему адаптивному поведению. Получается, что можно. Наверное, этот вывод заинтересует и биологов: ведь не исключено, что и сложное поведение живых организмов – например, тех же тараканов – регулируется крайне простыми нейронными цепочками”.
