Жизнь с роботами. Что нужно знать каждому беспокоящемуся человеку

Наши ожидания от роботов во многом сформированы фантастикой, особенно кинематографической, о чем упоминалось в главе 1. В конце концов, большинство людей ни разу не видели робота в реальной жизни. Если попросить человека нарисовать робота, тот выйдет, скорее всего, гуманоидом, как Железный Дровосек из «Волшебника страны Оз» или С-3PO из «Звездных войн». А заодно у него появится пол, скорее всего, мужской. «Железный Дровосек» – это типичное представление человечества о роботах до появления самого термина робот.

Так надо ли нам делать роботов максимально похожими на людей, как андроиды в кино и телесериалах? Наделять ли их и дальше гендерной принадлежностью с визуальными указаниями на то, к «мужскому» или «женскому» полу относится каждый, раз уж мы придали ему сходство с человеком? Надо ли добавлять выпуклости на груди, изображающие молочные железы, или кубики пресса у «мужчин»? Надо ли рисовать стереотипные женские лица с губной помадой? Раз уж нам известно, что люди хотят, чтобы роботы разговаривали, надо ли давать им мужской или женский голос? Или пускай будет механический, машинный? В Японии группа ученых постаралась придать своим роботам максимальное сходство с человеком: с латексной кожей, стеклянными глазами, розовыми губами и синтетическими волосами на голове. В большинстве случаев они выглядели, как очень молоденькие девушки: тревожное сходство, отражающее культурные предположения о роли женщины в японском обществе. Или любопытное эхо легенды о Пигмалионе.

Однако с этими роботами, очень похожими на людей, возникла серьезная проблема. Любопытно, что другой японский исследователь, Масахиро Мори, предсказал ее еще в 1981 году, задолго до эксперимента^[36]. Мори утверждал, что чем больше робот похож на человека, тем больше нам нравится, потому что напоминает нас, но только до тех пор, пока не станет практически таким же. В этот момент, предполагал он, симпатия резко уменьшится, сменившись глубоко негативными чувствами. Почему? Его ответ заключался в том, что растущее сходство робота с человеком стимулирует и рост ожиданий относительно его качеств, пока не будет достигнута точка почти полного сходства. И эта «почти полнота» заставит нас считать робота пугающим и странным. На диаграмме Мори обвал симпатии образует то, что ученые называют «зоной зомби», поскольку зомби частично похожи на людей.

2.5 График иллюстрирует гипотезу Мори о том, что нам нравятся роботы, похожие на нас, пока те не станут «почти такими же», после чего мы начинаем испытывать к ним отрицательные чувства. Мори считал, что этот эффект вызывается больше движениями, чем внешним видом. Из Wikimedia Commons, от 3 декабря 2020, https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Mori_Uncanny_Valley.svg CC BY-SA 3.0

Такую же реакцию запускают и японские человекоподобные роботы^[37]. Она усиливается расхождениями между движениями роботов и человека. К сожалению, робота приводит в движение мотор, отчего он двигается рывками, и эти рывки у существа, похожего на человека, сразу бросаются нам в глаза. Неудивительно, что зомби в фильмах двигаются именно так.

Более того, люди, взаимодействующие с человекоподобными роботами, неизбежно фокусируются на их лицах, как при общении между собой. Однако человеческое лицо куда сложнее, поскольку в его движениях участвует более сорока групп мышц. До создания искусственного лица, которое будет повторять все движения губ в момент речи или передавать эмоциональное состояние, пока еще очень далеко. Однако у людей, взаимодействующих с подобными роботами, имеются в этом отношении определенные ожидания, и, когда они не оправдываются, реакция бывает резко негативной.

2.6 Разработка японского исследователя Хироси Исигуро, специализирующегося на человекоподобных роботах, в основном похожих на молоденьких девушек. Он также создал одну модель, похожую на самого себя. У многих людей эти роботы вызывают остро негативную реакцию

Синхронизация движений губ – то, как они двигаются в зависимости от произносимых звуков, – важная проблема. Любой, кто смотрел телепередачи, в которых звук слегка отставал от движений губ диктора, знает, насколько мы чувствительны к подобным вещам. Тот же дискомфорт зритель испытывает, когда смотрит дублированный фильм, где звуки не совпадают с артикуляцией актеров. Неправильные движения лица у человекоподобных роботов сразу же бросаются в глаза человеку, поэтому такими роботами часто управляет оператор, мимика которого передается в реальном времени. Сенсоры снимают сигналы с его лица и передают на лицо робота.

Однако от мультипликационных персонажей никто не ожидает точной артикуляции. Посмотрите на Дональда Дака – у него вместо рта вообще клюв – или на других человекоподобных героев мультфильмов. Обычно у них всего 3–4 варианта формы рта. Человеческие ожидания при взаимодействии с роботами столь завышены, что некоторые дизайнеры специально разрабатывают модели, снижающие их. Эта идея легла в основу экспериментального робота Кисмет, разработанного в Массачусетском Технологическом институте^[38]. Он выглядит как механический зверек с большими глазами, красным резиновым ртом и длинными розовыми ушками.

Если попытки сделать роботов максимально похожими на человека себя не оправдывают, то какими же роботам следует быть? Вывод можно сделать, основываясь на содержании этой главы. Надо придать роботу физические и социальные аффордансы, соответствующие среде, в которой он будет работать, в зависимости от задач, которые он будет выполнять, и стиля взаимодействия с человеком, которого мы от него хотим. Ответ может показаться слишком расплывчатым. Действительно, это одна из версий «все зависит от».

Вместо того чтобы создавать, как в кино, человекоподобных роботов, рискуя вызвать негативную реакцию, лучше основываться на том, что исследователи и мультипликаторы называют убедительностью^[39]. Представьте себе классического мультяшного персонажа: Микки Мауса, гадкого утенка или Тома и Джерри. Ни один из них не выглядит натуралистично; вы будете в шоке, если увидите у себя на кухне мышь, похожую на Микки. Однако в качестве персонажей они кажутся нам убедительными, хоть мы и знаем, что это всего лишь набор точек на экране. Когда гадкого утенка отвергают как «непохожего на утку», аниматор так отражает его чувства через язык тела, что у нас на глаза наворачиваются слезы. Иными словами, мы ведем себя так, будто у этих существ есть чувства, как у нас, и мы можем примерить эти чувства на себя.

2.7 Робот Флеш (или Аликс) – пример гуманоидного дизайна, основанного больше на мультипликации, чем на натурализме

Некоторые разработчики социальных роботов вдохновились таким подходом и стали опираться больше на мультипликацию, чем на природу. Для них ВАЛЛ-И – лучший образец, чем японский человекоподобный робот или Терминатор.

Глава 3
Подвижность: будут ли они жить с нами?

В 1507 году король Шотландии Якоб IV со своими придворными наблюдал за тем, как итальянский алхимик, известный как Джон Дамиан, спрыгнул с башни замка Стерлинг. На нем были крылья, разработанные на основании идеи Леонардо да Винчи. Конечно, итальянец упал на землю, и ему еще повезло просто сломать бедренную кость. Интересно здесь то, что в провале он винил перья, которые использовал для крыльев. Дамиан взял перья курицы, а не орлиные, а ведь все знают, что куры не умеют летать. Судя по всему, король отговорил Джона Дамиана от второй попытки. Можно смеяться над его доводами, но они подчеркивают, сколько научного анализа и инженерных знаний потребовалось братьям Райт, чтобы четыре столетия спустя подняться в воздух, причем без перьев и в аппарате, который не машет крыльями.

Но какое отношение это имеет к подвижности роботов? Ответ прост: не стоит думать, что способности роботов в этой сфере должны соответствовать человеческим. Инженерные решения могут отличаться от биологических. Действительно, для роботов-гуманоидов перемещение на двух ногах кажется естественным. Оно соответствует ожиданиям человека, и наша среда формировалась с учетом прямохождения. Однако если проанализировать человеческую походку, становится ясно, что ее затруднительно повторить у робота.

Одна из причин – сложное устройство нашего скелета. Разработчики, занимающиеся созданием программного обеспечения для робототехники, используют термин «степени свободы». Это количество независимых движений, которые структура может выполнять. Если представить себе подобие дрона, летающего в трехмерном пространстве, то у него 6 степеней свободы. Они позволяют ему перемещаться по прямой вверх и вниз, взад и вперед и из стороны в сторону. Остальные три степени свободы дают дрону возможность вращаться по любой из этих осей. Получается, что его контрольной системе требуется шесть координат для каждого движения, чтобы перемещать технику в нужную точку.

Простого взгляда на человеческую ногу достаточно, чтобы понять, что у нее 6 степеней свободы: три дает тазобедренный сустав, напоминающий шарнир, одну – колено, и две – голеностопный сустав, который движется вверх и вниз относительно колена, плюс из стороны в сторону. На самом деле человеческие суставы состоят из большого количества элементов, особенно голеностоп и стопа, которые включают более 26 костей и 33 суставов. Даже колено – это не просто сгибатель, потому что при сгибании оно автоматически слегка поворачивается. Это означает, что у каждой ноги гораздо больше 6 степеней свободы. Каждая из этих степеней должна быть под контролем, поэтому для точной модели потребуется свыше шести координат для каждого движения.

И это не единственная проблема. С указанным количеством степеней свободы структуре требуется один набор координат, чтобы перемещаться из точки в точку в трехмерном пространстве. Добавьте еще одну степень свободы, и у структуры повысится то, что инженеры называют избыточностью. Это означает, что для достижения одних и тех же координат возникает несколько вариантов действий. Каждая добавленная степень свободы добавляет и избыточности, поэтому контрольной системе приходится выбирать между вариантами, а также вырабатывать большее количество наборов координат. В каком-то смысле это полезно, поскольку позволяет планировать движение разными способами. Однако добавление дополнительных степеней свободы с точки зрения вычислений требует таких усилий, что инженеры делают выбор в пользу двуногих моделей с меньшим количеством степеней свободы, чем у человека.

Следующий вопрос касается роли сенсоров в контролировании движения у человека. Если спросить, сколько у нас чувств, большинство ответит «пять»: зрение, слух, осязание, обоняние, вкус. Безусловно, они играют большую роль в нашем взаимодействии с окружающим миром. Однако у нас есть и несколько внутренних чувств, два из которых жизненно необходимы, чтобы ходить: это проприорецепция и эквибриоцепция.

Проприорецепция в нашем теле, особенно в суставах, сообщает, с какой скоростью движется конечность, в каком направлении, приходится ли на нее нагрузка и когда нельзя ее перемещать в том же направлении дальше. Проприорецепция – это кинестетическое чувство, которое позволяет нам дотрагиваться до носа с закрытыми глазами и говорит, стоим ли мы прямо или вниз головой в абсолютно темной комнате. Мозг использует информацию от сети своих сенсоров, чтобы поддерживать карту того, где наше тело находится в пространстве и что оно делает. Эта же система позволяет выполнять движения, хорошо понимая, где наша конечность окажется в результате. Как именно мозг это делает, до сих пор до конца неизвестно, хотя мы можем наблюдать за тем, как дети в первые годы жизни обретают контроль за своими движениями, и потому представляем, сколько отделов мозга участвует в данном процессе.

При ходьбе мы ощущаем, как нога выбрасывается вперед и с какой силой она касается земли. Это позволяет нам ходить, не глядя постоянно под ноги. Принцип ходьбы можно описать как двойной маятник. Мы выбрасываем ногу вперед от бедра движением, напоминающим движение маятника; когда пятка касается земли, стопа перекатывается вперед, а вслед за ней, как обратный маятник, перемещается тело. Тут есть масса возможностей потерять равновесие и упасть. Вот почему эквибриорецепция, чувство равновесия, настолько важна.

Это чувство обеспечивает нам вестибулярный аппарат, расположенный во внутреннем ухе, за барабанной перепонкой. Движение подразумевает и трансляцию – смену позиции, – и ротацию. У вестибулярного аппарата есть компоненты для обеих. Трансляцию обеспечивают так называемые отолиты, распознающие линейное ускорение как по горизонтали, так и по вертикали. Для ротации в трехмерном пространстве требуются три структуры, каждая для своего типа: это кивание, поворот головы и покачивание ею из стороны в сторону. В каждом ухе у нас есть по три полукруглых канала, содержащих жидкость и расположенных под прямыми углами друг к другу. Перемещение жидкости сообщает нам, находимся мы в состоянии равновесия или нет: она работает наподобие спиртового нивелира. Поскольку каналы парные, мы различаем движение справа налево и наоборот.

Помимо ходьбы без падений, по крайней мере, большую часть времени, вестибулярная система обеспечивает стабилизацию нашего зрения при движении. В противном случае при перемещениях мир прыгал бы у нас перед глазами. Каждый, кто видел съемки с движущегося робота, поймет, насколько важна эта способность. Проприорецепторная и вестибулярная системы работают вместе, анализируя положение тела и ускорение, причем так, что мы этого даже не осознаем. Как со многими человеческим способностями, попытки их воссоздать сталкиваются с неизвестностью в отношении наших телесных и мозговых функций: до сих пор не удается точно воспроизвести человеческую проприорецептивную и вестибулярную системы и заставить их взаимодействовать у роботов.

Разница между движением человека и робота выходит далеко за рамки работы внутренних сенсоров. Ригидная металлическая структура, приводимая в действие моторами, как у большинства роботов, сильно отличается от живого организма с подвижными мышцами. Одно из главных различий называется податливость. Податливость – противоположность ригидности: наши ноги сгибаются, касаясь земли, мышцы сжимаются и меняют форму в процессе работы. Податливость очень важна в изменчивой среде, постепенно ее добавляют и роботам. Однако это сильно затрудняет их конструкцию. Вот почему не стоит копировать человеческий принцип ходьбы у роботов, как в фильмах и компьютерных играх. Там персонажей приводят в движение с помощью специальной технологии: актер-человек надевает костюм с маркерами на суставах. Затем движения актеров фиксируются на камеру и переносятся на графическую модель скелета. На этот скелет «надевается» графическое изображение тела, и в результате виртуальный персонаж выполняет естественно выглядящие движения человека-актера.

Перенос человеческой ходьбы на робота осуществить куда сложнее. Нарисованные персонажи не подчиняются законам реальной физики. Разница между телом человека и роботом означает, что нам придется накладывать на него принципы собственной ходьбы с помощью так называемой функции трансфера. Понять, как это будет выглядеть, крайне трудно. Более того, роботу придется взаимодействовать с настоящим миром в реальном времени, а не в рамках компьютерной студии. Даже в помещении, на ровной поверхности, роботу необходимо избегать препятствий: физических, например мебели, и динамических, в частности людей, движущихся вокруг. Это означает, что нам нужно соединить разные элементы технологий передачи движения, воплотив их в реальном времени, и избежать ошибок, в результате которых робот может падать.

Самый простой принцип движения подразумевает расчеты местоположения стопы робота в следующий момент. Чтобы облегчить процесс, давайте предположим, что робот ступает по ровной поверхности, где с равной длиной шага, так что его положение легко рассчитать. Ветвь механики, которая занимается таким позиционированием, носит название кинематика, и она может нам сказать, где с учетом количества суставов у робота в ноге (например, тазобедренного, коленного и голеностопа) стопа окажется в каждый момент. Конечно, здесь мы не будем уделять особого внимания этой задаче. Мы уже знаем, где робот поставит стопу, и потому должны понять, под какими углами будут согнуты суставы. Этим занимается обратная кинематика, поскольку мы работаем с обратными расчетами.

Обратная кинематика математически сложнее, чем прямая, потому что опирается на инвертированную матрицу, или таблицу чисел. Инверсия – это математическая операция, напоминающая отделение части от целого, но куда более запутанная. Не все матрицы можно аналитически инвертировать. В некоторых случаях процесс требует деления на ноль, а поскольку такое деление дает бесконечность, воздействие на моторы, контролирующие суставы, остается неопределенным: а это совсем не то, чего нам бы хотелось для тяжелой конструкции из металла. Ныне существуют разные приемы для предотвращения этой ситуации, поэтому давайте предположим, что нагрузка на суставы нашего робота успешно рассчитана.

Следующий шаг – рассчитать силы, необходимые для перемещения конечностей, чтобы суставы робота сгибались под нужными углами. Этим занимается отрасль механики под названием динамика. Нам необходимо знать вес конечности и скорость, с которой она должна перемещаться. Далее рассчитываем профиль ускорения. Нам требуется сила, чтобы придавать конечности ускорение, и сила, чтобы останавливать его, потому что в противном случае инерция приведет к тому, что робот просто рухнет на землю. Следует решить, будут ли суставы сгибаться одновременно, поочередно или как-нибудь еще. Также придется подумать о центре тяжести у робота, потому что, если он расположен неправильно, падения не избежать. Это непременно произойдет, потому что при подъеме одной ноги на земле в качестве опоры останется только вторая: именно поэтому ходьба и является контролируемым падением. Мы можем заставить тело робота наклоняться вперед при каждом шаге, и, если правильно рассчитать наклон, благодаря динамике движения робот будет держаться прямо.

Такой простой подход – пример того, что инженеры называют контролем открытого контура, поскольку он работает путем расчета необходимых моторных действий, отправляет контрольные сигналы и переходит к следующему действию. Звучит неубедительно, собственно, так оно и есть. Человеческая система – пример контроля закрытого контура, поскольку наши внутренние сенсоры получают обратную информацию о том, что происходит, и помогают системе менять поведение при необходимости.

Мы можем добавить акселерометры для измерения ускорения сегментов ноги при движении. Тогда, если ускорение не такое, как ожидалось, можно его скорректировать. Понимание того, какое действие изменять, зависит от того, что именно пошло не так. Вот почему исправление ошибок отнимает столько усилий. Мы можем добавить также сенсоры наклона, которые отчасти будут выполнять роль человеческой балансировочной системы. Но и тут нам придется решать, что делать, если сенсоры выдают неожиданную информацию, особенно если они указывают, что робот теряет равновесие. Контроль закрытого контура заведомо более сложен, чем открытый, поскольку дополнительная информация добавляется к любому действию, которое контрольная система собирается выполнить следующим.

Первых ходячих роботов делали, основываясь на простом подходе, описанном выше, но эти проекты никогда не приводили к успеху. Роботы поглощали массу энергии, а она, как мы еще увидим, представляет для движущихся роботов большую проблему. Да и ходили они крайне медленно. Ситуацию усложняли трудности с равновесием: чем дольше робот переносил центр тяжести на подвижную ногу, тем больше возможностей у него было потерять баланс. Эти проблемы заставили исследователей заняться поисками альтернативных подходов. И они открыли для себя два совершенно разных источника вдохновения: самоходные фигурки и тараканов.

Тараканы – самое быстрое насекомое, перемещающееся на шести ногах. Инженеров в них интриговало то, что у тараканов при этом довольно просто устроен мозг. Ясно, что они передвигают ногами гораздо быстрее, чем их нейроны совершают необходимые расчеты. А это означает, что их ноги контролируются локально, в обход мозга^[40]. В довольно неприятном с эстетической точки зрения эксперименте ученые удалили у кошки часть коры головного мозга и поставили ее на беговую дорожку. Животное не только смогло ходить, но также меняло скорость, когда дорожка начинала двигаться быстрее или медленнее.

Биологи пришли к заключению, что ноги большинства животных контролирует так называемый центральный генератор паттернов (ЦГП), сеть нейронов, близких к ногам (у млекопитающих обычно расположена в основании позвоночного столба), которая выдает данные ритмически. Вот почему вы можете «поддерживать темп ходьбы»: его регулирует данная нейтральная структура. У ЦГП есть еще одна любопытная особенность. Физики давно знают: если поставить рядом два маятниковых механизма с разным размахом, они постепенно уравняются и будут двигаться синхронно. Этот процесс называется вовлечением. Таракан перемещает каждую из шести ног в одном и том же ритме, хотя у всех них есть собственные генераторы паттернов. Хотя ЦГП не нуждается в сенсорной информации, сенсор может перевести его в другой режим, так что животное меняет темп ходьбы на разных поверхностях. Получая от мозга приказ «идти быстрее», животное начинает бежать. Из-за эффекта вовлечения изменение темпа перемещения одной ноги влияет на остальные, так что смена скорости происходит без прямого программирования.

Оставалось выяснить, как быстро передавать сигналы многочисленным ногам, и тогда их можно было бы использовать для роботов. Шестиногий робот не потеряет равновесия, если три его конечности, образующие треугольник, находятся на земле. Даже робот на четырех ногах куда стабильнее, чем двуногий, особенно на неровной поверхности. Многоногая конструкция – неплохое решение для различных моделей, например перемещающих грузы в сложных условиях, скажем, при боевых действиях^[41]. Поиск и спасение пострадавших при катастрофах – еще одна сфера, где многоногий робот будет наилучшим выбором.

Одна группа исследователей развила идею с тараканами еще дальше. Вдохновившись тем, как дельфины с датчиками помогали отслеживанию целей под водой, ученые использовали настоящих тараканов, к которым добавили контрольные механизмы – крошечные рюкзаки с камерами^[42]. Суть заключалась в том, чтобы напрямую управлять тараканом с помощью электрических импульсов и обследовать тесные пространства, используя их малые размеры и подвижность.

Тем не менее существуют и такие сферы применения роботов, где многоногие аппараты не помогут. Отчасти это объясняется их энергопотреблением (см. далее), но также и социальным аффордансом (описан в главе 2). Робот в виде таракана или, еще хуже, паука может казаться человеку отталкивающим. Роботы, напоминающие собаку, заставляют обращаться с ними не так, как с гуманоидными. Поэтому успехи с многоногими механизмами не положили конец разработке двуногих.

«Но что же насчет самоходных фигурок?», – спросите вы. Если вы таких еще не видели, то они представляют собой небольшие пластмассовые игрушки, которые ставят на уклон. Под собственным весом они начинают шагать вниз, причем без батареек или моторчика. Стоит запустить фигурку, и дальше она шагает под влиянием инерции. Это так называемая пассивная ходьба. Вместо сложных расчетов точки, куда в следующий раз должна опуститься каждая нога, самоходная фигурка полагается на простую динамику.

Мы не можем обеспечить роботам среду, в которой они постоянно будут двигаться под уклон, однако ключ к пассивной ходьбе в том, что энергия от одного шага запускает следующий. Возвращаясь к тараканам… биологи доказали, что при каждом шаге они слегка пружинят и тем самым получают дополнительную энергию для переноса ног вперед. Отчасти это объясняет сложное устройство наших стоп и щиколоток и указывает на их податливость как ключевой аспект устойчивой ходьбы.

Одна группа исследователей из США уже разработала самоходного робота, который во многом открыл путь к усовершенствованию двуногих моделей^[43]. Если у робота податливые, то есть пружинящие ноги, то его тело подпрыгивает с естественной регулярной частотой. Новое поколение двуногих роботов ходит гораздо быстрее и обладает большей стабильностью по сравнению с теми, в которых использовался устаревший подход с расчетами каждого шага. Этот подход также возродил интерес к применению гидравлики в робототехнике. С помощью жидкости добиться податливости проще, чем с моторами и электричеством. Однако у гидравлики есть и минусы: для таких роботов нужны насосы, а если робот падает, то жидкость может вытекать, прямо как зеленая кровь^[44].

На некоторых впечатляющих видео можно наблюдать способности нынешнего поколения ходячих двуногих моделей^[45]. Однако помните, что на видео всегда показываются самые удачные моменты и мы ничего не знаем о надежности робота и его недостатках; в большинстве своем, если не во всех случаях, роботами там управляют на расстоянии, и они не действуют автономно. В США Управление перспективных исследований регулярно устраивает соревнования роботов, направленные, в первую очередь, на выявление способностей, требуемых для операций по поиску и спасению, а это наилучшее испытание для роботов на двух ногах.

Оценки, которые команды исследователей дают после соревнований, выявляют факторы, неочевидные для зрителя^[46]. Некоторые роботы не справляются с заданиями, потому что условия, в которых им приходится оперировать, немного отличаются от тех, в которых их испытывали. Например, сменный инструмент на манипуляторе робота чуть короче или длиннее, а поверхность, по которой он ходит, не такая гладкая, как в лаборатории. Моторы у роботов перегреваются, и они перестают работать с ожидаемой точностью. Набор задач должен быть выполнен в течение часа, поэтому операторы-люди находятся под большим давлением. Ошибки операторов – главная причина неудач роботов. Еще роботы могут падать или застревать из-за собственных проблем, в том числе с материальной частью, и тогда команда поддержки приходит им на помощь. Соревнования показывают, что робототехники уделяют куда больше внимания хождению на двух ногах, чем тому, как робот будет подниматься, если упадет. Иными словами, мы неплохо продвинулись, но двуногие роботы пока не готовы к работе в реальном мире, особенно в критических условиях.

Именно поэтому в помещениях можно видеть много роботов на колесах, а на улице – с гусеницами, как у танка, или многоногих. Колеса сильно облегчают задачу перемещения робота, хотя и у них есть свои ограничения. Робот на колесах обладает лишь двумя степенями свободы: он может двигаться вперед (трансляция) или разворачиваться, чтобы начать движение в противоположную сторону. Чтобы облегчить ротацию, робота можно поставить на круглое основание с одним ведущим колесом и двумя дополнительными, которые вращаются в любом направлении. В таком случае обеими степенями свободы можно уверенно управлять, и робот становится голономной системой. Это не касается автомобиля, колеса которого не проворачиваются так, чтобы он мог кружиться на одном месте. Колеса используют энергию более эффективно, чем ноги, по крайней мере, на ровной поверхности. Это можно увидеть, сравнив передвижение человека на ногах и на велосипеде. Энергоэффективность в робототехнике – фундаментальный вопрос, ведь она определяет, как далеко робот сможет уйти и как долго функционировать. При любой технологии перемещения ему нужен источник энергии. Удивительно, насколько редко в дискуссиях о роботах и их способностях затрагивается этот вопрос, при том, что батареи и технологии их разработки являются одним из главных ограничений в данной сфере.

Мобильный робот может питаться от стационарного источника, но тогда за ним будет тянуться провод и придется дополнительно следить, чтобы робот в нем не запутался. В некоторых случаях провод даже удобен: представьте робота, который отправляется на опасную для человека территорию и там застревает. С помощью провода его можно вытянуть обратно. Однако в целом полезнее снабжать роботов собственными источниками энергии, чтобы они действовали автономно. Живые организмы используют химические источники энергии. Человеческие мышцы приводятся в движение за счет химических веществ, получаемых из еды. Некоторые химические элементы присутствуют в мышцах в небольших количествах и могут быть использованы мгновенно, без участия кислорода. Далее с помощью кислорода глюкоза расщепляется на вещества, необходимые для мышц. Это позволяет нам делать запасы топлива в форме жира. Роботы же практически всегда действуют за счет электроэнергии от батарей.

Батареи поставляют электричество быстро и эффективно, но химическое топливо обладает большей энергетической плотностью. Оно высвобождает гораздо больше энергии при том же весе и объеме. Бензин в автомобилях обладает плотностью почти в 500 раз выше, чем у свинцово-кислотного аккумулятора, а глюкоза – в 10 раз выше, чем у литиевой батареи, в зависимости от степени ее зарядки^[47]. Таким образом, батареи робота хранят гораздо меньше энергии (с учетом их веса), чем человеческое тело в жировых запасах.

Роботы с ногами используют энергию отнюдь не так эффективно, как люди. В 1950-х ученые придумали параметр под названием специфическая резистентность (СР), с помощью которого сравнили энергоэффективность судов, наземного транспорта, самолетов и животных, движущихся с разной скоростью^[48]. СР – это соотношение потраченной энергии с весом и скоростью. Позднейшие работы показали, что СР скачущей лошади – 0,2, человек идет на таких же показателях, но даже лучшие двуногие роботы, в которых применены эффективные технологии ходьбы, достигают СР не выше 0,7, то есть почти в три раза больше^[49].

Кроме того, энергию у робота поглощают не только моторы, приводящие его в движение. Сенсоры, контроллеры, коммуникационное оборудование и компьютеры также нуждаются в ней. По приблизительным оценкам на них у подвижных роботов уходит более половины потребляемой энергии. В результате роботы сажают батареи быстрее, их приходится чаще перезаряжать. Первые двуногие роботы, произведенные японской компанией Honda в середине 1990-х, сколь бы они ни были великолепны с инженерной точки зрения, работали всего 20 минут между подзарядками. С тех пор батарейные технологии значительно усовершенствовались, а разработка электромобилей и сотовых телефонов дополнительно подтолкнула их вперед. Однако роботы по-прежнему функционируют лишь по нескольку часов между подзарядками (от 1,5 до 4), даже на колесах, не говоря уже про ноги, для которых энергии требуется больше. Если бы об этих ограничениях чаще упоминали в громких дискуссиях про роботов, мысль о том, что они могут захватить мир, вряд ли пришла бы кому-то в голову.