«Техника-молодежи» 2002 г №2, с.7-9
Сергей Александров
Механические «пауки» и «змеи» для иных миров
У классиков научной фантастики роботы — человекообразные. И персонаж Айзека Азимова объясняет это предельно доходчиво: проще и дешевле сделать универсального работника, способного пользоваться существующими инструментами, чем создавать специализированный парк приспособлений для каждого случая.
В мире, придуманном американским фантастом родом из Смоленска, это было так. В реальной жизни оказалось иначе, и сегодня стационарный робот — как правило, механическая рука на подставке и шкаф с аппаратурой управления. А мобильный робот — тележка, колесная или гусеничная. Но если в цехах или на складах этого вполне достаточно, то, когда автомат отправляется «погулять на свежем воздухе», традиционные способы передвижения далеко не всегда устраивают заказчика.
Необходимость в роботе «повышенной проходимости» возникает все чаще. В первую очередь — для действий в опасных условиях, на месте ядерной или химической аварии, на поле боя... И — на других планетах.
Гордость советской робототехники — «большой», 100-килограммовый, марсоход.
|
На начальном этапе планетоходостроения второе требование было важнее, и потому именно обеспечению надежности уделялось максимальное внимание. Всем хорошо известно, что колесо — не лучшее приспособление для движения по глухому бездорожью. Тем не менее необходимость предотвратить возможные поломки или минимизировать их последствия заставила конструкторов планетоходов отказаться даже от такого широко применяемого на земных вездеходах технического решения, как гусеницы! Колесами попирали лунный реголит советские «Луноходы» и американские LRV, на колесах катался по марсианской пустыне штатовский «Sojourner». Правда, до «места работы» не долетели еще две отечественные конструкции, имеющие другие движители: в начале 1970-х до Марса «не дошел» маленький шагоход (близкий, впрочем, по конструкции к... шагающему экскаватору), а в 1988 г. вместе с беспилотным аппаратом «Фобос» погиб прыгоход, который должен был скакать по поверхности одноименного спутника Красной планеты.
Колесные планетоходы блестяще доказали, что, с одной стороны, списывать со счетов колесо преждевременно, с другой — нужно что-то более совершенное! Тем более что разработчики шасси не стояли на месте — как в прямом, так и в переносном смысле.
ИДЕАЛЬНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ абсолютной проходимости, наверное, будет шагающий, у которого сила сцепления ступней с поверхностью может регулироваться. Но как же сложно технически воплотить эту мечту! Меж тем подобная «идеальность» выводится из наблюдений за живой природой. Так не отыщется ли в царстве животных нечто столь же эффективное, но менее сложное в исполнении? Отыскалось.
Весной и летом 2001 г. в центре Эймса (одном из подразделений NASA) проходили испытания 30-сантиметровых роботов «Scorpion», созданных немецким ученым Франком Кирхнером (Общество математики и обработки данных, Санкт-Августин, земля Северный Рейн — Вестфалия). Они без труда преодолевали гальку и песчаные дюны, не боясь завязнуть, ибо двигались не на колесах, а на восьми ногах из углепластика.
Впрочем, может быть, важнее восьми ног были четыре параллельно работающих процессора, которые делали искусственного паука почти независимым от дистанционного управления. Дело в том, что управлять марсианским аппаратом так, как когда-то «Луноходами», практически невозможно, ибо запаздывание радиосигналов может достигать получаса. Представляете: полчаса между тем моментом, когда в объектив телекамеры попадет препятствие, и тем, когда до механизма дойдет реакция оператора...
Для проверки самостоятельности нового планетохода запланировано эффектное, но жестокое испытание: «Scorpion» должен пройти 40 км по пустыне Мохаве (Калифорния, США), найти заданные объекты, а затем вернуться обратно. На все про все крохотной многоножке, питаемой солнечными батареями, отводится несколько недель.
Если миссия удастся, это станет хорошим аргументом, чтобы посадить на Марс подобных роботов-пауков, полагает Кирхнер. Сейчас конструктор ведет с NASA переговоры об использовании на Красной планете технологии его «Scorpion'ов», или спайдерботов (англ. spiderbot производно от spider — паук и robot).
ДРУГОЙ РОБОТ-ВЕЗДЕХОД, а точнее, везделаз разрабатывает, при участии того же центра Эймса, Гэвин Миллер из фирмы Interval Research Corporation (Пало Альто). Это робот-змея, или снэйкбот (англ. snakebot). Его название образовано по уже знакомой схеме: snake (змея) + [ro]bot. 15-килограммовый двухметровый «червячок» извивается вполне по-змеиному.
Ни скалы, ни песчаные дюны, ни трещины — для снэйкбота не преграда. И с посадочного модуля он спустится самостоятельно, не нуждаясь в откидных сходнях. По мнению заказчика устройства, именно гибкость и надежность — явные преимущества роботов-змей при исследовании чужих миров. NASA обдумывает испытание снэйкботов на Марсе в экспедиции 2007 г. или тремя годами позже. Вполне применимы эти аппараты и на Луне, астероидах, ледяных спутниках Юпитера и Сатурна.
Впрочем, отменная проходимость подобных конструкций — не новость. Еще 15 лет назад, в единственном в мире учебнике по проектированию планетоходов, конструктор шасси наших луно— и марсоходов (а также «фобосопрыгов») А.Л. Кемурджиан (совсем недавно Александру Леоновичу исполнилось 80 лет) писал: «Многосекционные планетоходы — поезда позволяют поднять на качественно новый уровень проходимость машины».
ПОГОВОРИМ О ПРЫГОХОДАХ. Отечественные, напомню, «не попали к месту работы», хотя прошли полный цикл испытаний на специальном полигоне с моделированием особенностей инопланетного грунта и пониженной силой притяжения (для чего подвешивались на специальном, очень хитро устроенном, стенде). Еще десятилетия назад прыгающий луноход (правда, большой и пилотируемый) предлагал один из пионеров космонавтики Герман Оберт. Теперь создание прыгоходов снова на повестке дня.
«Прыжки являются эффективным способом передвижения вперед на небесных телах с незначительной гравитацией, — говорит Паоло Фьорини, эксперт в области робототехники в другом исследовательском центре NASA — Jet Propulsion Laboratory (JPL) в Пасадене. — Самая большая проблема — безопасно приземлиться на ноги после высокого взлета. Роботы-лягушки должны быть довольно крепко построены, чтобы преодолеть приземление «кувырком» на неровной местности. Для детальной картографии окрестностей они были бы очень полезны. Для исследований на специально выбранных камнях они, напротив, не подходят, так как приземление точно в цель не в их силах. Поэтому, возможно, в будущем робот-лягушка будет применяться в группе с роботами-насекомыми, роботами-змеями и другими мобильными автоматами».
И этот вывод эксперта JPL важнее, чем любые механические шедевры разработчиков вездеходных шасси. Ведь «механический зверинец» создается не ради (ну, скажем так, не только ради) восторгов разработчиков и зрителей. Роботы «повышенной проходимости» призваны решать вполне определенные задачи, и не просто как прыгающие и ползающие устройства, а как носители аппаратуры для сбора, обработки и передачи информации. Здесь как раз и кроется объяснение, почему на вчерашние кульманы и сегодняшние дисплеи конструкторов в очередной раз вернулись из фантастических книг и фильмов «звероподобные» машины.
Ведь недостатки колеса на бездорожье, повторяю, давно и хорошо известны. Давно и неоднократно предпринимались и попытки создания шагающих, прыгающих, ползающих машин. Но... дальше экспериментальных образцов дело так и не пошло. Почему?
РАССМОТРИМ ШАГОХОД. Каждая нога — сложная техническая система с многочисленными приводами, шарнирными соединениями, датчиками положения, касания, давления, собственной — и довольно сложной — системой управления. Но чем больший груз должен нести шагоход, тем мощней и тяжелей его «конечности», и тем больше проблем при его создании. А груз в нашем случае — научные приборы, которые должны собирать информацию об окружающем мире и передавать ее на далекую Землю. А также системы, призванные обеспечить работоспособность этих приборов. И — устройства, призванные определять координаты робота, направление и темп его движения, объезжать препятствия.
Так вот, во времена «Лунохода-1» все это, рассчитанное на длительную работу в условиях космического пространства, весило сотни, в лучшем случае, десятки килограмм. Еще совсем недавно, когда проектировались наши марсоходы (и тот же «попрыгунчик» для Фобоса), речь шла уже о считанных килограммах — не случайно агрегаты марсохода успешно использовали при создании радиационно-стойкого промышленного робота для расчистки крыши машинного зала Чернобыльской АЭС. Сегодня сложнейшие многопроцессорные компьютеры, передатчики дальней связи, прецизионные инерциальные навигационные системы весят даже не сотни, а десятки грамм! А уж датчики газового состава, например, выполняются размером... с молекулу. Соответственно, в десятки, сотни, тысячи раз сократилось энергопотребление, следовательно, и потребная масса энергоблоков.
| Изобретатель Гэвин Миллер в обнимку со своим детищем — «снэйкботом» S5. Змееробот «анфас». |
Это значит, что с теми же задачами, которые 30 лет назад решал, говоря словами Высоцкого, «лунный трактор», сегодня справится... самодвижущаяся игрушка! Но последних можно наделать куда больше, чем «тракторов», а потому и отладить до большей надежности. Кстати, так ли нужна она? Потерять многофункциональную автоматическую лабораторию, уникальную, стоящую миллионы, — одно, а крохотную «радиоуправляемую модель», каких десятки и сотни, — совсем другое!
ОДНОЙ ТОЛЬКО МИНИАТЮРИЗАЦИЕЙ (и параллельно — совершенствованием) приборной «начинки» дело не кончается. Аппетиты разработчиков, а главное, заказчиков растут быстрее, чем уменьшаются размеры микросхем. И на помощь электронщикам приходят столь любимые отечественными конструкторами «схемные решения».
Простейший (давно известный и неоднократно использованный) пример: для «прямой трансляции» телевизионной картинки с Марса на Землю нужен очень мощный передатчик. Однако если использовать ту часть межпланетной станции, что остается на околомарсианской орбите, как ретранслятор, на планетоходе можно обойтись уже куда более слабой аппаратурой. А если применить малокадровое телевидение (не 25 и даже не 10, а, допустим, 1 кадр в секунду) с предварительной обработкой изображения, позволяющей выделять вновь возникающие препятствия, то можно «сливать» информацию не в реальном времени, а периодически и в гораздо меньшем объеме. И все это — очень многие сэкономленные килограммы и киловатты.
К еще большему упрощению конструкции, а соответственно — повышению надежности и снижению массы приведет разделение функций между разными аппаратами, к чему, собственно, и пришли в JPL. То есть один робот пусть занимается химией грунта, другой — его структурой и механическими свойствами, третий отвечает на извечный вопрос «есть ли жизнь на Марсе?». Здесь же, кстати, найдется место и летающим автоматам, о которых чуть дальше. Так вот, каждая «механическая зверушка» сама по себе может быть простой, даже примитивной. Но вместе, как в пчелином рое или муравейнике, они образуют некий «коллективный разум» — автоматическую разведывательную систему, уже способную, в случае необходимости, не только перегруппировать силы, но и, предварительно обобщив результаты, уточнить направление и характер исследований.
Классика научной фантастики — Кларк, Стругацкие, Азимов, Лем... А теперь — предмет совместных разработок NASA и Массачусетсского технологического института.
 Марсолет над ущельем Долина «Маринера». |
Первые прикидки «марсопланов» в NASA сделали еще в конце 1970-х и... задумались. Разреженная атмосфера нашего космического соседа требует крыльев сверхбольшого удлинения (или хотя бы сверхмалой нагрузки на крыло). Но это не есть хорошо: пусть марсианская атмосфера и не столь плотна, как земная, бури в ней такие, каких на нашей планете не видывали, а чем больше крылья самолета, тем он быстрее сломается в непогоду. И потом, как везти большие крылья под маленьким ракетным обтекателем?
И опять на помощь конструкторам пришли прибористы-электронщики Если уменьшается масса научной аппаратуры (а также, что, может, еще важнее — навигационно-управляющей), то облегчается и сама машина, уменьшаются ее размеры. И в обратную сторону начинает действовать хорошо известный в технике и биологии «закон квадрата-куба»: площадь сечений машины (а значит, ее прочность) изменяется пропорционально второй степени, а объем (следовательно, масса) — третьей степени величины изменения ее линейных размеров. Иными словами, с ростом размеров аппарата масса его деталей растет быстрее, чем прочность, а с уменьшением — убывает быстрее, чем прочность
До сих пор техника имела дело с проявлениями этого закона при росте размеров. Вспомним, например, рассказ создателей гигантского транспортного самолета «Руслан» («ТМ», №2 за 1986 г.) — как они гордятся тем, что, благодаря новому профилю крыла и широкому применению композиционных материалов, им удалось обойти пресловутый закон квадрата-куба! А теперь — наоборот: уменьшение размеров самолета позволит придать ему достаточную прочность, несмотря даже на стыки, по которым он должен складываться для межпланетного путешествия.
ТАК СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ (в особенности — изготовления бортового оборудования) возвращает к жизни старые мечты, казалось бы, вычеркнутые из планов конструкторов или отложенные на далекое «потом». Только необходимо отметить одну малоизвестную и... горькую для нашей страны деталь.
Пресловутая «Стратегическая оборонная инициатива» — программа создания стратегической противоракетной обороны — не решила, да и не могла решить поставленной задачи: надежная противоракетная оборона больших территорий от массированных ударов «не по зубам» современной науке и технике. Но именно при выполнении этой программы было достигнуто то совершенство датчиков, процессоров, приводов и многих других устройств и деталей, которое сегодня позволяет «оживить» миниатюрных змее— и паукоподобных роботов.
ЭТО направление развития техники в нашей стране прохлопали...
С использованием материалов «Bild der Wissenschaft»