1. відчутні дані
2. пузирящіеся роботи
3. Механіка без механізмів
4. Тільки найнеобхідніше!
5. Відсікті все зайве і ... до Нових горізонтів

З тих пір як в 1991 році Томмазо Тоффолі і Норман Марголус придумали термін «програмована матерія», від теорії до практики вже зроблені перші кроки. Ймовірно, згадавши про глину, з якої Господь Бог зліпив першу людину, група дослідників обіцяє нам в майбутньому «електронну глину», з якої можна буде зліпити майже все що завгодно.

Рідкісний технічний проект з часів перших кроків космонавтики так підстьобував фантазію журналістів і футурологів. Мало хто конструкторські ідеї могли б змусити нас настільки повірити в реальність техно-кошмару «Трансформерів» або в матеріалізацію привидів, що зійшли прямо з екрану. Картини майбутнього малюються одна одній привабливою. До занемогшіх полярники (буровиків, космонавту, Індіані Джонсу -2050) викликають лікаря. Справа відбувається, природно, там, куди звичайна карета швидкої допомоги буде їхати вічність, якщо взагалі доїде. А допомога потрібна негайно. У розпорядженні хворого тільки комп'ютер, до якого підключено дуже дивне периферійний пристрій, найбільше нагадує корито з піском. Широкий супутниковий канал зв'язку з'єднує зимівлю, табір або космічну станцію з кабінетом світила медицини. Ні-ні, пане професоре з Нью-Йорка чи Токіо зовсім не готовий за першим покликом боргу мчати в аеропорт або на космодром. Та це й не потрібно. Адже зараз відбудеться маленьке диво. Пісок в кориті починає хвилюватися, ворушитися, здійматися купами, що здаються спочатку безформними, і, нарешті, перетворюється в людську фігуру. Зовнішнім виглядом «пісочний людина» (як тут знову згадати про Голлівуд і його комікс-сагу про Людину-павука) нічим не відрізняється від маститого доктора, що знаходиться за тисячі і тисячі кілометрів. Фігура точно повторює всі рухи лікаря, особа один в один відтворює міміку, та й рукостискання повсталого з пилу фантома достовірно передає м'якість і пружність людської долоні. Двійник доктора, звичайно ж, не обмежується візуальним оглядом хворого. Перкусія, пальпація, аускультація - руки фантома працюють в унісон з маніпуляціями столичного ескулапа. На жаль, діагноз виявився серйозніше, ніж очікувалося. Буде потрібно хірургічне втручання. І досвідчений доктор готовий різати пацієнта дистанційно. Зрозуміло, за допомогою двійника, який виник з корита. Якщо ж з'ясується, що не вистачає хірургічних інструментів, то їх доведеться «матеріалізувати» на місці - запас чарівного піску ще є ...

«По-вашому, це не цікаво?» - запитав доктор Мортімер Шерлока Холмса, закінчивши читання легенди про прокляття роду Баскервілів. «Цікаво для любителів казок», - відповів великий сищик. Чи не правда, після розповіді про фантомному хірурга ці слова так і крутяться на мові? Але в Університеті Карнегі-Меллон (Пітсбург, США) є люди, які не просто вірять, що рано чи пізно такі казки стануть реальністю, але вже сьогодні працюють над технологіями, завдяки яким суперматеріал майбутнього одного разу увійде в наше життя.

відчутні дані

Уже шість років група візіонерів-дослідників під керівництвом ад'юнкт-професора Університету Карнегі-Меллон Сета Голдстайна і директора дослідницької лабораторії компанії Intel в Пітсбурзі Тодда Маурі веде розробку одного з найцікавіших напрямків в області модульного роботостроения.

Стоячи в одному ряду з іншими проектами створення модульних роботів, задуми групи дослідників з Університету Карнегі-Меллон виділяються своїм найбільш революційним підходом і оригінальною ідеологією. Мова тут йде не просто про збірку спеціалізованого робота з найпростіших типових модулів, але про появу унікального «інтелектуального» матеріалу, здатного відтворювати відчутні і навіть рухомі тривимірні образи практично будь-яких твердих об'єктів. Такий матеріал відкриває дорогу до нового типу електронної комунікації, який дозволить підключати до сприйняття переданих по цифрових мережах образів ще одне почуття - дотик. Людина зможе взаємодіяти з цими образами як з предметами матеріального світу і навіть як з живими істотами.

Чарівний пісок, про який йшла мова на початку цієї статті, стане, на думку розробників, не чим іншим, як масою роботів-модулів субміліметрових розмірів. Кожен з цих модулів буде, однак, придатний до виконання кількох важливих функцій. Він стане одночасно рушієм, приймачем-передавачем цифрових даних, провідником електроживлення і сенсором. В ідеалі для створення максимально реалістичних образів відтворюваних об'єктів поверхню модуля покриють мікроскопічними світлодіодами, які виконають роль світяться пікселів, у своїй сукупності придатних для отримання колірних текстур.

Планарні катоми По колу в шаховому порядку розташовані електромагніти. Можливо, що в майбутньому, коли катоми візьмуть сферичну форму і субміліметрових розміри, модулі будуть взаємодіяти не за допомогою електромагнітів, а завдяки силам електростатичного притягання / відштовхування.

Назва для матеріалу, що складається з модульних роботів, і для всього проекту по-англійськи звучить як Сlaytronics, від англійських слів clay (глина) і electronics (електроніка). Самому модульному роботу автори проекту дали ім'я catom (катом; від claytronics і atom).

Як же виглядає сьогоднішній етап роботи над проектом Claytronics? Навіть самі батьки-засновники визнають: до передачі на відстані рухомих тривимірних образів ще дуже і дуже далеко. Поки ведуться дослідження в області базової конструкції катомів, способів і алгоритмів їх взаємодії, для чого застосовуються макромоделі, що працюють в двомірному поле координат. Площинні (планарні) катоми - це циліндричні пристрої з діаметром перетину 45 мм, поставлені вертикально і пересуваються по рівній поверхні. Як видно, до піщинок поки далеко, та й число катомів в збірках обчислюється одиницями.

При цьому один з ключових термінів наукових публікацій групи Сета Голдстайна - слово «масштабованість» (scalability). Мається на увазі, що розробляються сьогодні конструкції катомів і технології їх взаємодії в збірці дозволять в майбутньому легко і безболісно змінити масштаб усієї модульної системи при збереженні її керованості і працездатності. Катоми візьмуть субміліметрові розміри, число модулів в збірці зросте до тисяч і мільйонів, а сама система буде спроектована з площини в тривимірний простір.

пузирящіеся роботи

Інтерес до конструкції робота, який буде ледь помітний неозброєним оком, зрозумілий, і все ж Сет Голдстайн і його колеги не втомлюються повторювати: «залізо» - ще не найскладніше. Куди більш серйозний виклик - це програмні алгоритми як управління системою в цілому, так і взаємодії між окремими катом. Одна з найважливіших проблем модульного роботостроения взагалі і проекту Claytronics зокрема - управління великим безліччю модулів, кожен з яких має низьку енергооснащённостью і невисоким обчислювальним потенціалом. Традиційний метод створення алгоритмів руху для безлічі модулів передбачає опис простору станів всієї системи, тобто всієї сукупності комбінацій, в яких можуть знаходитися пересуваються модулі. Природно, простір станів знаходиться в лінійній залежності як від числа задіяних модулів, так і від кількості ступенів свободи окремого міні-робота. Якщо мова йде про тисячі, а то й мільйони катомів, то розробка алгоритму управління їх рухом, побудованого за традиційною методикою, швидше за все, заведе в глухий кут. Ефективним способом зменшити простір станів може стати обмеження руху окремих модулів, зведення їх до свого роду динамічним примітивам під управлінням щодо нескладного алгоритму взаємодії.

Крок модуля Щоб зробити найпростіше пересування, потрібно збірка з чотирьох катомів. Утворюючи трикутну конструкцію з «шарніром», «власники» викликають в дотичних з ним сегментах силу тяжіння і утримують його від обертання навколо своєї осі. Четвертий катом, «рушій», здійснює переміщення щодо статичного «шарніра» завдяки створеному електромагнітами крутним моментом. У тривимірній збірці кількість модулів збільшиться, але принцип руху залишиться колишнім.

Саме цим шляхом пішли учасники проекту Claytronics, поклавши в основу побудови форм принцип рухомих пустот, або «дірок». Наочну ілюстрацію цього принципу ми отримаємо, спостерігаючи за киплячій в'язкою масою - наприклад, розплавленим сиром. Бульбашки повітря, що піднімаються до поверхні, спочатку утворюють на ній опуклості, а потім, лопаючись, на якийсь час залишають ямки, угнутості. Якби на цей процес можна було впливати, в потрібний момент фіксуючи роботу бульбашок то на «опуклою», то на «увігнутою» стадії, ми отримали б інструмент надання цій поверхні потрібної форми.

Механіка без механізмів

Принцип масштабованості ставить перед дослідниками ряд нетривіальних завдань. Ось одна з них. Робот в звичайному розумінні цього слова - електронно-механічний пристрій. Крім центрального процесора, контролерів, пам'яті, сенсорів він включає в себе складну систему виконавчих механізмів - крокові електродвигуни, гідравлічні приводи, руки-маніпулятори, захоплення, колеса, гусениці і так далі. Перенесення всієї цієї механіки на субміліметровий рівень практично нереально. Вихід може бути знайдений в конструюванні таких роботизованих модулів, які зможуть рухатися відносно один одного, не маючи рухомих частин. Для цього автори проекту «Claytronics» припускають використовувати сили дистанційного впливу. Наприклад, силу магнітного тяжіння / відштовхування.
Планарні катоми, з якими працюють сьогодні в лабораторії, мають «на борту» набір з 24 електромагнітів. Вони розташовані по периметру окружності циліндра на двох рівнях - тобто, два кола по 12 магнітів. Верхні і нижні магніти розташовані один щодо одного в шаховому порядку. Рознесення на два рівня знадобилося для того, щоб уникнути інтерференції магнітних полів. Полярністю магнітів управляє електроніка - кожен з катомів є комп'ютер з центральним процесором, приймально-передавальним пристроєм і набором контролерів. Якщо магніти в дотичних сегментах відштовхуються, в той час як магніти в сусідніх протистоять сегментах навпаки створюють тяжіння, виникає крутний момент і катоми починають обертатися один щодо одного. Фактично мова йде про лінійному електродвигуні, в якому роль статора і ротора виконують окремі модулі.
Втім, обертання сусідніх катомів в протилежних напрямках може поміняти орієнтацію, але не положення модулів в просторі. Для пересування всередині збірки потрібен дещо складніший механізм, заснований на тому ж принципі. Щоб при виникненні крутного моменту один з катомів поміняв положення, а інший залишився на місці, потрібно збірка з чотирьох модулів. Два з них будуть виконувати функції «власників». Утворюючи трикутну конструкцію з третім катом (він іменується «шарніром») вони утримують його від обертання навколо своєї осі, викликаючи в дотичних з ним сегментах силу тяжіння. Четвертий катом - «рушій» - здійснює переміщення щодо статичного «шарніра» завдяки створеному електромагнітами крутним моментом.

Роль «бульбашок» в масі катомів виконуватиме «дірка», яка в наукових публікаціях групи Сета Голдстайна визначається як «квант негативного обсягу». У двомірної моделі «дірка» являє собою порожнечу в формі шестикутника, що займає обсяг одного центрального катом і шести навколишніх його «сусідів». По периметру порожнечі шикуються 12 катомів, які позначаються терміном «пастухи» (shepherds). Для пересування «дірки» в масі катомів модулям- «пастухів» досить зберігати в своїй пам'яті два параметри: наявність «дірки», яку вони оточують, і одне з випадково призначених напрямків руху, загальне число яких дорівнює шести - за кількістю кутів шестикутника. Рух починається з того, що катоми «в авангарді» починають зміщуватися до тильної сторони «дірки». Потім перебудовуються і інші модулі «пастушої» групи, і в підсумку порожнеча зміщується на один крок вперед, частково відновивши склад своїх «пастухів». Є дві важливі умови: по-перше, в процесі руху «дірка» не повинна руйнувати «вівчарську» групу інший «дірки», і по-друге, вона не може здійснювати рухи, які приведуть до втрати частини власної «пастушої» групи. Останнє трапиться, якщо «дірка» розірве кордон між масою катомів і навколишнім простором. Якщо дотримати обидва ці умови неможливо, вибирається інший напрямок руху.

В результаті виходить щось на кшталт хаотичного руху молекул в ідеальному газі. Переміщаючись по випадково обраних напрямках, «дірки» стикаються один з одним, відштовхуються від кордону маси катомів, в якій вони укладені, не руйнуючи цю межу.

Виникає законне питання: якщо «дірки» рухаються хаотично і не порушують межі маси катомів, то яким чином вони надають збірці потрібну форму? Справа в тому, що все описане в попередніх двох абзацах правильно лише для «стану рівноваги». Вивести дірки з рівноваги, наказавши їм інший modus operandi, може потрапляння в особливу зону перетворення. Все поле координат, в якому діють катоми, поділено на рівновеликі трикутні зони, які отримали назви «три-області» (tri-regions), - їх координати повідомляються кожному з працюючих модулів. На те саме поле координат нанесена геометрична форма об'єкта, який в підсумку повинен бути відтворений за допомогою модулів. «Три-області», через які проходить контур майбутнього об'єкта, стають активними. Потрапляючи в них, катоми починають вести себе відповідно з двома типами завдань - «зростання» або «стирання», що відповідає створенню опуклостей або вогнутостей.

Тільки найнеобхідніше!

Крім «масштабованості» іншим важливим поняттям є «аксіома збірки» (ensemble axiom).
Аксіомою збірки називається принцип, згідно з яким катом повинен бути наділений тільки тими функціями, які дозволяли б йому ефективно працювати у взаємодії з іншими катом. Дослідницька група Сета Голдстайна і Теда Моури бачить перед собою задачу граничного спрощення конструкції модуля при максимальному використанні її можливостей.
Як і будь-який робот, катом потребує енергії. Питання про те, як організувати харчування модуля, вирішується учасниками проекту «Claytronics» в дусі аксіоми збірки: окремий модуль не повинен тривалий час зберігати в собі значний запас енергії і не потребуватиме попереднього підзарядці. Набагато більш правильний шлях - навчитися передавати і розподіляти енергію всередині маси катомів.
З'ясувалося, що ті ж самі електромагніти, які використовуються в якості рушія для катомів, здатні виступати і в ролі приймачів-передавачів енергії шляхом електромагнітної індукції. Керуючий електромагнітом контролер, який побудований на польових транзисторах, працює в даному випадку як імпульсний джерело живлення за схемою повного мостового випрямляча. Він дозволяє генерувати досить сильне змінне магнітне поле, індукуючи струм в обмотці магніту, що знаходиться в прилеглому сегменті сусіднього катом і «накачуючи» модуль енергією.

В «три-області», запрограмованої на зростання, катоми нарощують опуклість над існуючим краєм маси, формуючи нову «дірку». Навпаки, в «три-області», запрограмованої на «стирання», що потрапила туди «дірка» підходить до краю маси і розмикається, залишаючи увігнутість. Поступово опуклості і угнутості змінюють кордон маси, поєднуючи її із заданим контуром.

Такий тип управління модульними системами отримав найменування «стохастичною реконфігурації». На відміну від систем «детерміністській реконфігурації», в яких становище кожного модуля в будь-який момент часу точно задано, тут переміщення міні-роботів оцінюються і управляються статистично, а положення конкретного модуля не має значення. Саме стохастический метод визнаний сьогодні найбільш перспективним для модульних систем з великою кількістю елементів субміліметрового розміру. Фігурально висловлюючись, навчитися працювати з бульбашками киплячого сиру куди легше, ніж з окремими складовими масу молекулами.

Відсікті все зайве і ... до Нових горізонтів

З'явилися повноцінної «Електронної глини» - тобто масі катомів, яка по команді комп'ютера буде формуваті рухомі трівімірні образи, пофарбовані в природні кольори и даже передаються Властивості поверхонь орігіналу, - батьки-засновника проекту Claytronics прогнозують на невизначенності майбутнє. Більш точно, хоча и з Певного застережень, візначається годину, коли ми зможемо Побачити трівімірні Збірки з великого числа субміліметровіх модулів. Це має случиться через 5-10 років. Поки ж дослідники працюють з макромоделі, а також з програмою-симулятором, за допомогою якої відпрацьовуються алгоритми взаємодії катомів. Протягом найближчих двох років планується перехід від двомірних катомів до тривимірним: кілька модулів, початково розташованих на площині, зможуть самостійно зібратися в просторову форму - наприклад, в пірамідку.

Чи означає це, що до появи повнофункціонального катом від роботи групи Сета Голдстайна не варто очікувати практичних результатів? Одне з пристроїв, яке може з'явитися «на півдорозі», розробники назвали «3D-факсом». У ньому катоми вмітимуть багато, крім одного - їм не потрібно пересуватися один щодо одного. Загальний принцип роботи цього пристрою такий. Предмет, тривимірну тверду копію якого потрібно передати на відстані, помістять в ємність, де вона буде повністю засипана катом. Облягаючи поверхню предмета, модулі визначать своє місце розташування відносно один одного і, таким чином, зісканують параметри поверхні об'єкта, а потім передадуть їх комп'ютера. На приймаючій стороні інший комп'ютер повідомить отримані координати підключеною до нього ємності з електронними піщинами. Усередині заданого контуру катоми пристане один до одного під дією сили магнітного або електростатичного притягання, незадіяна ж частина маси залишиться як і раніше сипучої. Тепер досить, за висловом Огюста Родена, «відсікти все зайве» - або, точніше, струсити пісок з готової форми.

Стаття опублікована в Журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2008 ).