[Перевод] Подробности создания управляемого человеком спортивного робота весом 3600 кг
«Это как кататься на горном велосипеде», — только, конечно, на велосипеде весом 3600 кг и высотой в 4,5 м
Если бы всё было так, как хочет Джонатан Типет [Jonathan Tippett], то на Олимпийских играх будущего выступали бы не только люди — он предсказывает появление роботов-спортсменов, управляемых людьми. На технологической выставке в Торонто в июле 2017 этот канадский инженер-механик предложил нам представить гонки, в которых пилоты облачались бы в массивные экзобионические ме́хи [не путать с эксгибиционистами; экзо — от греческого exō, «внешний», а бионика — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы / прим. перев.]. Относитесь к этому как к чрезмерно раздутой версии двуручного погрузчика, которым Рипли управляла в «Чужом», или к оборудованию, знакомому игрокам в Titanfall.
Долго напрягать своё воображение нам не потребовалось. Типет вскоре продемонстрировал нам первого участника предлагаемых им гонок, и комната быстро наполнилась вздохами удивления. Типет представил нас Простезису [англ. prosthesis — протез], 4,5 м экзобионической платформе весом в 3600 кг, работающей на электричестве, и усиливающей движения пилота, сидящего в кабине в центре меха. Он сделан из легированной стали, содержащей добавки хрома и молибдена [англ. chromoly], и в пределе способен бежать со скоростью в 34 км/ч, подпрыгивать на 3 метра, и работать без подзарядки два часа.
Для масштаба — команда инженеров
Всё это, конечно, впечатляющий результат работы производства и инженеров. Но, беседуя с нашим журналом несколько месяцев спустя, Типет говорит, что его цель более философская, чем кажется многим. «Простезис можно представлять себе как высокотехнологичную машину, но это метафора весом в 3600 кг тому, как технологии позволяют нам делать то, что мы хотим, и тому, какую важную роль в робототехнике до сих пор играют люди».
Робот из Titanfall (конечно, проработанный гораздо сильнее)
Именно в таком духе Типет с его командой из компании Furrion, расположенной в Индиане, и работающей вместе с ним над Простезисом, решили добавить меху кабину и сделать ему интерфейс для управления человеком, вместо того, чтобы делать удалённо управляемого робота, которых мы видели сражающимися в клетках и в гонках дронов. «Простезис — это продолжение тела пилота, — говорит Типет. — Это как кататься на горном велосипеде, ощущения с непосредственным восприятием, а не в качестве наблюдателя».
Сейчас Типет работает над тренировкой пилотов и подстройкой механики, чтобы гарантировать готовность мехов к гонкам. Двигаться он будет на манер гориллы — используя для ходьбы и бега все четыре конечности — в отличие от нас, двуногих. Если Типет хочет, чтобы Простезис участвовал в гонках без проблем, каковы его дальнейшие шаги в реализации этой НФ-мечты?
Рипли (с эстетической точки зрения ближе к Простезису)
Но сначала, шагающий паукоробот
Люди встречаются с Простезисом не впервые. Гигантский мех появлялся на различных технологических выставках, например, на CES 2017 и на фестивале Burning Man этим летом.
Именно Burning Man пробудил в Типете изобретателя до того, как тот начал работу над Простезисом. Типет занимался инженерным делом по окончанию программы подготовки инженеров-механиков Университета Британской Колумбии. Благодаря небольшому гранту, полученному от фестиваля в Неваде в 2006 году, Типет и его соотечественники, инженеры из Ванкувера, построили робопаука Мондо — механического шагающего паука, работающего от гидравлики и моторов. Позже организация CODE Live поручила инженерам переделать Мондо на работу от электричества для его демонстрации во время зимней Олимпиады в Ванкувере в 2010 году. Это позволило Мондо работать относительно тихо, заряжаться от солнечной энергии и выступать в помещении, не создавая выхлопа.
Паук Мондо, прямой предок Простезиса
В 2013-м Типет сказал в интервью сайту Tested: «Если можно перевести шагающего паука весом 750 кг с бензина на электричество, значит, это можно сделать вообще с чем угодно!»
Проект Мондо раззадорил аппетит инженера у Типета. И когда он начал вращаться в среде любителей роботов, он уже подготавливал чертежи Простезиса. Типету нужно было нечто больше, быстрее и круче.
«Давайте дадим пилоту ощущения катания на диких американских горках, — вспоминает Типет начальные этапы разработки. — Находиться в кабине в четырёх метрах над землёй, использовать свои конечности для контроля движений меха — это дезориентирует, ужасает, захватывает — и всё одновременно».
Типету знакомы захватывающие ощущения — среди его хобби есть мотоцикл, горный велосипед и сноуборд. Но работа над Простезисом окажется обескураживающей ещё до того, как у него появится шанс забраться в кабину.
Создание тела робота
При первом подходе к разработке Простезиса одни только технические требования обескуражили Типета. Как должна работать подвеска у шагающего агрегата весом 3600 кг? Как обеспечить постоянное равновесие меху с четырьмя ногами, а не восемью?
Правильная схема кабины управления была главной для реализации идеи. Пилот, используя упряжь с креплением в пяти точках, размещает предплечья в металлических скобах, а ноги — в держателях, обёртывающихся вокруг икр. Затем они фиксируются при помощи устройств, похожих на рукав для измерения давления.
Типет решил отказаться от подражания человеческой походке, и вместо этого позаимствовать систему ходьбы у гориллы, вплоть до низко расположенных рук и ног. Движения пилота в кабине управляют движениями Простезиса: согните локоть, и робот попытается присесть. Вытяните конечности вперёд, и Простезис выполнит крен.
Для управления конечностями каждая из ног меха оборудована двумя гидравлическими силовыми приводами. Привод «бедра» соединён с верхней частью ноги и позволяет ей качаться вперёд-назад. Второй привод приделан к задней части соединения четырёх труб. Сокращение этого привода укорачивает ногу и поднимает её с земли в то время, как привод бедра переносит ногу вперёд. При отрыве от земли движущаяся вперёд нога удлиняется, чтобы встретиться с землёй. Привод бедра может тянуть ногу назад, а амортизаторы поддерживают вес машины и смягчают поездку.
«Самое интересное во всём этом — отзывчивость движений, — говорит Типет. — Мы несколько недель подстраивали упряжь, амортизаторы, буферы кабины так, чтобы всё работало идеально для пилота». Он вздыхает. «Скажу лишь, что управлять Простезисом очень сложно и сильно выматывает».
Можно ожидать, что завышенные цели при разработке Простезиса привели ко множеству проб и ошибок. Типет вспоминает, как несколько раз переворачивался вместе с мехом, сравнивая свои ощущения с другим спортом. «Это как сноуборд — сколько раз нужно упасть до того, как освоишь? — говорит он. — С Простезисом было тоже очень много проб и ошибок».
Первым шагом Типета и команды было найти правильный баланс, а теперь они работают над плавной походкой меха — пока ещё даже не над бегом, предупреждает Типет. Чтобы научиться бегать, сначала надо научиться ходить [согласно американской поговорке walk before you run / прим. перев.].
«Понаблюдайте за людьми, управляющими монстр-траками, как они тренируются для создания нужной хореографии, — говорит Типет. — С Простезисом всё примерно так же. Это физически тяжело. Но в итоге фанатам понравится наличие у человека навыков по пилотированию этих роботов».
Он подчёркивает, уже не в первый раз, что «машина разработана так, чтобы подходить пилоту, и не наоборот». Типет добавляет, что мех должен быть продолжением тела человека, и создавать чувство симбиоза, которое сложно воспроизвести.
Перепрыгивая через препятствия
Я поговорил с несколькими экспертами по робототехнике, чтобы узнать, какие проблемы ожидают Типета на его пути. Может показаться, что принцип передвижения на ногах воспроизвести легко, но это обманчиво — согласно Джонатану Хёрсту, техническому директору Agility Robotics, это чрезвычайно сложно. «В таком движении используется тщательно проработанная механическая система с точно подобранными пружинами, инерцией и иерархией управления». Он добавляет, что любая помеха для шагающего меха, например, пересечённая местность, может нарушить не только траекторию движения ног, но и их инерцию.
Кому, как не ему знать об этом: в 2017 году компания представила своего новейшего шагающего робота Кэсси [Cassie], не обладающего пока торсом, и с бёдрами с тремя степенями свободы, похожими на бёдра человека. Такое устройство позволяет Кэсси махать ногами вперёд-назад, вбок, и в то же самое время поворачивать их.
Cassie, двуногий робот авторства Agility Robotics
Хёрст с коллегами вскоре приделают Кэсси руки, торс и датчики, но пока что исследовательские лаборатории могут заказать эти ноги с бёдрами. «Мы считаем, что робот может оказаться полезным для доставки грузов и исследования территории», — говорит Хёрст о возможностях применения Кэсси.
То, что пытаются делать Хёрст и Типет, вызывает в памяти LS3, недолго существовавшего шагающего робота от Boston Dynamics, которого рекламировали, как решение для задач военной логистики. Из-за своих ограничений проект LS3 отправили на полку в 2015 году. Он издавал громкие звуки, был сложен в починке, и его с трудом интегрировали в традиционный патруль морской пехоты.
Хартмут Гейер, адъюнкт-профессор в Институте робототехники при Университете Карнеги-Мэлон, не хочет, чтобы Простезиса постигла та же судьба, что и LS3, но ему кажется, что идея о том, что Простезис вдохновит создание гоночных соревнований для мехов — это несбыточная мечта.
«Основная проблема лежит в управлении, — говорит Гейер. — Могут ли мощные ноги бегать достаточно быстро, или они подходят только для определённых движений? А ещё есть проблема с перегревом мотора».
Некоторые четвероногие роботы уже учатся преодолевать пересечённую местность, но позитивные новости в этой области связаны с разработкой из Калифорнийского университета в Сан-Диего, где делают мягкого робота размером с манго. Это, конечно, не мех. Но всё же, его сделали из резинового материала, распечатанного на 3D-принтере, и рекламировали, как первого робота этого типа, способного ходить по таким грубым поверхностям, как песок или галька. Также их робот способен менять способ передвижения с ходьбы на ползание, чтобы забираться в труднодоступные места.
Потенциал создания шагающих роботов такой привлекательный, что некоторые университеты посвящают этой задаче целые подразделения — например, Leg Laboratory в MIT. На их сайте можно отслеживать прогресс в исследованиях различных этапов передвижения роботов, от Uniroo 1991 года, скопированного с кенгуру, до первого робота, использующего ступни и активные лодыжки.
Занимайтесь гонками, а не войнами
Пока Простезис проще всего сравнивать с похожими мехами от таких гуру робототехники, как MegaBots, сталкивающих гигантских мехов друг с другом в боях. В сентябре мех от MegaBots, Mk. III сражался с японским Kuratas, произведённым японской компанией Suidobashi Heavy Industry. Сооснователь MegaBots Гай Кавальканти рассказал мне, что это была «первая в мире битва гигантских роботов». Вес Mk. III — 6 тонн, рост — 4,5 м, и он способен стрелять шариками с краской размером с пушечное ядро.
Кавальканти сравнивает битвы роботов, управляемых людьми из кабин, с тем, что Типет хочет сделать с гоночной лигой мехов. «Тут всё завязано на человеческий драматизм, на историю человека и спорта, — говорит он. — Уберите людей, и драматизм спадёт. Посмотрите на BattleBots: это отличное шоу, но когда робот разваливается на десяток частей, камеру переключают на расстроенного оператора с пультом управления. Это не очень интересно. Мы хотим видеть, как сносят квотербека, как нокаутируют боксёра».
Как человек, прошедший процесс крупного производства, он положительно оценивать осторожность Типета в том, чтобы не делать слишком много всего сразу и не торопиться с подготовкой Простезиса. «Начинать нужно, не торопясь, поскольку у наших роботов есть большой простор движения, — говорит Кавальканти. — Он может сам себя ударить по носу, и у пилота есть риск получить клешнёй по кабине».
Ну, а кроме опасных повреждений, Кавальканти предупреждает ещё и о сложностях создания роботов для инженеров, отмечая, что «роботы — очень большая проблема дизайна». Он рекомендует вспомнить Модель Т и представить, как сильно изменились автомобили за несколько десятилетий — основная технология претерпевала постепенные изменения. «А роботы сложнее автомобилей, — говорит он. — У машин относительно мало движущихся частей по сравнению с гуманоидными роботами, и у такого массивного робота, как мех, всё должно работать слаженно. С увеличением масштаба всё меняется. Каждую новую платформу, такую, как робототехника, требуется очень долго пестовать перед тем, как выпускать её на всеобще обозрение».
Простезис рядом с офисным зданием
Кроме заботы о самом роботе, Типет думает и о спорте гонок на мехах. Сейчас он черпает вдохновение из других роботов-спортсменов, например, у лиги гонок на дронах (The Drone Racing League). Тедди Цанетос, бывший глава инженерных разработок в DRL, а теперь технолог по робототехнике в НАСА, говорит, что ключевым навыком для Типета будет управление шумихой, связанной с запуском нового спорта.
«Нужно управлять тем, какое он производит впечатление, и какие от него будут ожидания, — говорит Цанетос. — Люди, услышав про «гонки мехов» очень легко представят себе что-то вроде компьютерной игры». Но, несмотря на такой разумный подход, у любителя роботов Цанетоса есть множество вопросов к лиге гонок на мехах. «Как сделать реально быстрого меха? Почему обязательно использовать ноги, а не что-то другое? Мне это было бы интересно».
Пока что Типет продолжает неспешные тренировки пилотов. Сначала команда хотела представить меха в Дубае, где в декабре пройдут всемирные спортивные игры будущего, но перевозка массивного зверя была бы сложной задачей, а, кроме того, над ним ещё надо поработать. Согласно новому плану, Типет хочет устроить дебют Простезиса в апреле 2018 на первой гонке, место проведения которой будет объявлено дополнительно. Но отложенный дебют и несколько препятствий не остановили Типета, и он постоянно размышляет о том, как могла бы развиваться эта гоночная лига.
Он говорит, что каких-то мехов можно создать для гонок по обычной местности, а другие могут специализироваться по пересечённой. У каждого меха будет своя личность, возможно, связанная с человеком в кабине. Если гонщики Формулы 1 могут привлекать фанатов своим стилем и вкусом, почему этого не смогут сделать пилоты мехов?
Возможно, гонки нескольких мехов не состоятся прямо сразу. Сначала это могут быть просто забеги на время, когда спортсмены будут сменять друг друга в кабине Простезиса. Поскольку мех управляется движениями человека, скорость и мощь его бега зависят от навыков пилота. «Создать меха — задача амбициозная, и я знаю, что барьер входа в эту область весьма высок».
Но, несмотря на все проблемы, Типет оптимистично оценивает возможность создания гоночной лиги мехов. «Когда пилоты будут демонстрировать свои умения и всё, на что способны их машины, это раззадорит всех, особенно людей с деньгами». И, как в любой индустрии, появление шумихи и денег начнёт подпитывать разработку в этой области.
Типет не собирается останавливаться на гонках мехов. «Святым Граалем» для него служит участие мехов в Олимпийских играх. Но, как Простезису нужно сначала научиться ходить, перед тем, как бегать, не говоря уже о том, чтобы состязаться, Типет готов на время ограничиться менее смелой мечтой. Он не исключает и другие виды мероприятий, способных продемонстрировать все возможности Простезиса и ему подобных.
«Почему бы не сделать шоу в перерыве Суперкубка? Это было бы идеально!, — восклицает он. Затем замирает, и видно, как в его голове вращаются шестерёнки. — А вообще, если уж мечтать по полной, почему бы не сделать контактный американский футбол на мехах?!»
