Технологии

Как развивалась робототехника: от первых автоматов до современных роботов

Сегодня роботами называют самые разные устройства. Промышленная манипуляционная рука собирает автомобили, автономный аппарат исследует морское дно, робот-пылесос самостоятельно перемещается по квартире, а человекоподобные машины учатся ходить, распознавать предметы и выполнять несложные поручения.

При этом идея искусственного создания движущегося устройства намного старше компьютеров и даже промышленной революции. Людей на протяжении веков интересовала возможность заставить механизм самостоятельно выполнять последовательность действий.

Путь от механического автомата до современного робота оказался очень длинным. Для этого пришлось научиться не только создавать сложные механизмы, но и снабжать их «органами чувств», системами управления и способностью принимать решения.

Первые автоматы появились задолго до роботов

Одними из предшественников современных роботов можно считать механические автоматы. Они не обладали интеллектом в современном понимании, но могли самостоятельно выполнять заранее заданную последовательность движений. Такие устройства создавались ещё в античности. Известны описания автоматов, связанных с именем древнегреческого инженера Герона Александрийского. Его механизмы могли использовать воду, воздух, вес грузов и систему рычагов для выполнения определённых действий.

В последующие столетия механические автоматы становились всё сложнее. Особенно большого мастерства достигли европейские часовщики и механики XVIII века. Они создавали фигурки людей, животных и птиц, способные двигать руками, писать, рисовать, играть на музыкальных инструментах.

Некоторые из этих механизмов выглядели почти как живые существа. Но принцип их работы оставался механическим: последовательность действий была заранее заложена конструкцией.

Это важное отличие от современного робота. Автомат мог выполнять сложную программу, если понимать под программой определённую последовательность механических операций, однако изменить своё поведение в зависимости от окружающей обстановки он практически не мог.

От автоматов к программируемым машинам

Следующий принципиальный шаг произошёл тогда, когда последовательность действий стало возможно задавать не только самой конструкцией механизма, но и внешней программой. Одним из ранних примеров такого подхода стали механические устройства с перфокартами. Отверстия в карте определяли, какие действия должен выполнить механизм.

Наиболее известным примером стали жаккардовые ткацкие станки начала XIX века. Перфорированные карты позволяли автоматически формировать сложные узоры на ткани. Сам станок ещё нельзя было назвать роботом. Однако идея оказалась чрезвычайно важной: машину можно заставить выполнять разные действия, изменяя программу, а не перестраивая весь механизм.

В дальнейшем этот принцип стал одним из фундаментальных для вычислительной техники и автоматизации.

Почему без компьютеров робототехника долго не могла стать современной

Механика позволяет машине двигаться. Но для сложного поведения одного набора шестерёнок и рычагов недостаточно. Представим робота, которому нужно взять предмет со стола. Он должен определить, где находится предмет, рассчитать траекторию движения, подвести захват к нужной точке, приложить достаточное усилие и понять, что предмет действительно захвачен.

Для человека значительная часть этой работы происходит практически автоматически. Машине приходится решать каждую задачу с помощью механизмов, датчиков и алгоритмов.

Появление электронных вычислительных машин резко расширило возможности автоматизации. Теперь последовательность действий можно было хранить в памяти, изменять программно и выполнять с гораздо большей скоростью.

Робототехника начала постепенно превращаться из преимущественно механической области в междисциплинарную. В ней соединились механика, электроника, теория управления, информатика и позднее — искусственный интеллект.

Первые промышленные роботы

Настоящий прорыв произошёл в промышленности во второй половине XX века. Предприятиям требовались машины, способные выполнять однообразные, тяжёлые или опасные операции. В отличие от человека, промышленный робот мог часами повторять одно и то же движение с высокой точностью и без усталости.

Одним из первых широко известных промышленных роботов стал Unimate. В 1961 году такой робот начал работать на автомобильном производстве General Motors в США. Он выполнял операции с горячими металлическими деталями, которые были неудобны и потенциально опасны для человека.

Конструкция была ещё далека от современных роботов, но сама идея оказалась чрезвычайно перспективной: механический манипулятор можно было программировать для выполнения определённых производственных операций.

В следующие десятилетия роботизированные системы начали распространяться на автомобильных заводах, предприятиях электроники и других производствах.

Робот научился видеть окружающий мир

Следующий этап развития связан с датчиками. Механический манипулятор, который просто повторяет запрограммированную траекторию, работает хорошо в строго контролируемой среде. Но реальный мир постоянно меняется. Деталь может оказаться немного смещена, поверхность — неровной, а препятствие — появиться там, где его не было в момент программирования.

Для решения подобных задач роботам стали устанавливать различные сенсоры. Датчики положения помогают определить положение частей механизма. Камеры дают визуальную информацию. Лазерные системы позволяют измерять расстояния и форму объектов. Тактильные сенсоры помогают оценивать контакт и давление.

Появилась принципиально новая схема работы: робот не просто выполняет команду, а получает информацию об окружающем мире, обрабатывает её и корректирует свои действия.

Это уже гораздо ближе к тому, что сегодня принято называть робототехникой.

От заводского манипулятора к автономному роботу

Промышленный робот обычно работает в специально подготовленной зоне. Его окружение заранее известно, а задача достаточно чётко определена. Автономному роботу приходится действовать в гораздо более сложной среде.

Например, робот-пылесос должен построить представление о помещении, определить препятствия, выбрать маршрут и не застрять между мебелью. Беспилотному автомобилю необходимо одновременно учитывать дорожную разметку, другие машины, пешеходов, сигналы светофора и множество других факторов.

Здесь одной механики уже недостаточно. Нужны алгоритмы навигации, обработка данных с большого количества сенсоров и вычислительная система, способная работать в реальном времени. Развитие микропроцессоров сделало такие системы значительно компактнее и дешевле. То, что раньше требовало целой лаборатории вычислительной техники, постепенно стало помещаться в небольшом электронном блоке.

Человекоподобные роботы

Отдельное направление робототехники — создание машин, внешне и функционально напоминающих человека. Интерес к этому появился задолго до современных технологий. Однако сделать машину, которая уверенно ходит на двух ногах, сохраняет равновесие, распознаёт окружающие объекты и манипулирует ими, оказалось очень сложной инженерной задачей.

Человеческое тело обладает огромным количеством степеней свободы. Мы можем одновременно двигать руками, ногами, головой и корпусом, сохраняя равновесие и корректируя движения в зависимости от поверхности.

Для робота каждое из этих действий требует расчётов и обратной связи от датчиков. Именно поэтому создание человекоподобной машины оказалось значительно сложнее, чем просто изготовление механического тела с руками и ногами.

Что изменил искусственный интеллект

Современный этап робототехники тесно связан с развитием машинного обучения и искусственного интеллекта. Раньше поведение робота в основном описывалось заранее созданными алгоритмами. Инженер должен был определить, что делать машине в каждой предусмотренной ситуации.

Современные системы могут использовать модели машинного обучения для распознавания объектов, речи, изображений и различных закономерностей в данных. Это особенно важно там, где невозможно заранее прописать все варианты происходящего. Например, робот, работающий на складе, может использовать компьютерное зрение для определения положения коробок, а автономная машина — анализировать данные сенсоров для оценки окружающей обстановки.

Однако искусственный интеллект не отменяет классическую робототехнику. Роботу по-прежнему нужны приводы, редукторы, аккумуляторы, датчики, контроллеры и надёжная система управления. Современный робот — результат работы сразу нескольких инженерных дисциплин.

Где роботы используются сегодня

Робототехника давно вышла за пределы автомобильных заводов.Роботов применяют в промышленном производстве, на складах и в логистике, в медицине, в сельском хозяйстве, при обследовании зданий и инфраструктуры, в подводных исследованиях, при ликвидации последствий аварий, в космических исследованиях, в бытовой технике. Особенно полезными оказываются машины там, где работа связана с высокой температурой, радиацией, токсичными веществами, большим физическим усилием или необходимостью длительно находиться в труднодоступном месте.

В медицине роботизированные системы используются, например, для помощи хирургу при проведении операций. В сельском хозяйстве роботам постепенно передают отдельные задачи по мониторингу посевов, обработке растений и сбору урожая.

Почему робототехника требует так много разных специалистов

Современный робот — это не только механический манипулятор и не только компьютер. Для его создания требуется целая команда специалистов. Механик проектирует конструкцию и приводы, электронщик разрабатывает схемы и контроллеры, программист создаёт программное обеспечение, специалист по управлению занимается движением и устойчивостью системы, а специалисты по компьютерному зрению и машинному обучению работают с восприятием окружающего мира.

Отсюда и особенность образования в этой области. Робототехника находится на пересечении сразу нескольких инженерных и научных направлений.

Серьёзные исследования в этой сфере ведутся в технических университетах по всему миру. Например, Венский технический университет (Technische Universität Wien) объединяет направления, связанные с инженерией, информатикой и естественными науками, что хорошо показывает междисциплинарный характер современной технической подготовки.

Как готовят инженеров для робототехники

Будущий специалист по робототехнике необязательно получает образование именно по специальности с таким названием. Близкие направления могут относиться к машиностроению, электротехнике, автоматизации, мехатронике, информатике или компьютерной инженерии.

На начальных этапах обучения студенту приходится осваивать фундаментальные дисциплины: математику, физику, программирование, основы электроники и механику. Позже появляются более специализированные предметы — теория управления, робототехника, компьютерное зрение, обработка сигналов и машинное обучение.

Тем, кто рассматривает европейское техническое образование, важно заранее разобраться не только с выбором программы, но и с требованиями конкретного вуза: уровнем образования, языком обучения, вступительными условиями и комплектом документов. Вопрос как поступить в университет Австрии поэтому лучше изучать применительно к конкретной образовательной программе, а не только на уровне общих правил.

Какими будут роботы дальше

Предсказать конкретный облик роботов через несколько десятилетий сложно. Зато хорошо видны основные направления развития. Машины становятся компактнее, энергоэффективнее и автономнее. Совершенствуются сенсоры и системы навигации. Искусственный интеллект позволяет обрабатывать всё более сложную информацию и взаимодействовать с человеком.

Отдельный интерес представляет совместная работа людей и роботов. На производстве это уже происходит: роботизированная система может выполнять физически тяжёлую операцию, пока человек занимается контролем, настройкой или задачами, требующими гибкого мышления.

Вероятно, именно такое взаимодействие окажется важнее идеи о полном вытеснении человека машинами. Роботу не обязательно уметь делать всё то же самое, что человек. Во многих случаях гораздо эффективнее разделить задачи: машине оставить точные, повторяющиеся и опасные операции, а человеку — принятие решений, творчество и контроль.

От механического автомата к интеллектуальной машине

История робототехники хорошо показывает, как постепенно менялось само представление о машине. Первые автоматы могли лишь повторять движения, заложенные в их механизме. Программируемые устройства научились выполнять разные последовательности операций. Промышленные роботы взяли на себя тяжёлую и монотонную работу. Датчики позволили машинам реагировать на изменения окружающей среды, а современные вычислительные системы добавили сложную обработку информации и элементы обучения.

При этом фундаментальная идея осталась прежней: человек создаёт систему, способную выполнять определённые действия самостоятельно.

Разница лишь в масштабе возможностей. От механической фигурки, которая несколько минут повторяет заданное движение, робототехника пришла к автономным машинам, способным воспринимать окружающий мир, планировать действия и адаптироваться к изменяющимся условиям. И, судя по темпам развития сенсоров, вычислительной техники и искусственного интеллекта, эта история ещё очень далека от завершения.