Как работают настоящие трансформеры

Без сомнения, персонал с тревогой смотрит на грядущий фильм «Трансформеры». Мы не просто задаемся вопросом, будет ли это хорошо. Мы задаемся вопросом, увидим ли мы роботов с возможностями трансформеров при нашей жизни. Хотя полномасштабные трансформеры кажутся немного неправдоподобными и непрактичными, оказывается, что некоторые существующие роботы имеют много общего с трансформерами. В этой статье мы рассмотрим, как выглядят эти роботы-трансформеры, как они работают и чем они похожи на трансформеров, таких как Оптимус Прайм.

Начнем с анализа самого Прайма. Он огромен и впечатляющ, но может ли он быть настоящим? Чтобы выяснить это, мы спросили инженера Майкла Д. Белоте, что потребуется для создания полноразмерного тягача с прицепом, который может трансформироваться в двуногого робота. Другими словами, что нужно, чтобы создать версию Оптимуса Прайма в натуральную величину?

Во-первых, Prime должен быть самонастраивающимся роботом . Сегодня существуют некоторые самореконфигурирующиеся роботы или роботы, которые могут менять свою форму для выполнения различных задач. Однако они сильно отличаются от Оптимуса Прайма. Как объясняет Белоте:

Если бы инженеры придумали, как делать взаимозаменяемые модули в масштабе Оптимуса Прайма, все равно было бы невозможно обеспечить мощность для их перемещения. В своей форме автомобиля Оптимус Прайм может работать на обычном дизельном топливе. Но ходьба гораздо менее эффективна, чем езда на колесах. Чтобы ходить, Прайму потребуется гораздо больше мощности, чем может обеспечить дизельный двигатель. Вот анализ Белота того, как справиться с требованиями к питанию Прайма:

Таким образом, гидравлическая энергия может позволить Прайму ходить, но сама гидравлическая система создаст другой набор проблем. «Необходимо добавить бак или резервуар для хранения гидравлической жидкости, — говорит Белоте, — необходимы гидравлические насосы; для питания насоса необходимо использовать дополнительный источник энергии; необходимы клапаны для обеспечения соответствующего давления и расхода». Кроме того, Prime с гидравлическим приводом должен быть оснащен трубопроводом для подачи гидравлической жидкости. Эти трубы, наряду с топливопроводами и электропроводкой Прайма, должны были оставаться неповрежденными или даже нетронутыми во время трансформации.

Пережив превращение в робота, Прайм должен был ходить как двуногий. Белоте описывает, что для этого потребуется: поскольку традиционные полуфабрикаты часто весят более 30 тонн, окончательный вес Prime легко может быть в диапазоне от 35 до 40 тонн. Сравните это с лучшим в мире «ходячим» роботом, роботом Honda ASIMO , который имеет общий вес 119 фунтов и при этом может ходить только около 40 минут (с электроприводом) и с максимальной скоростью менее 2 миль в час. Соотношение веса для ASIMO составляет 2,3 фунта на дюйм, по сравнению с соотношением веса Prime, которое, вероятно, превысит 75-80 фунтов на дюйм — увеличение в тридцать раз.

Кроме того, роботы не могут легко имитировать движения ходьбы. «У робота, — объясняет Белот, — есть прямая команда (поднять ногу на величину «x», наклониться вперед на величину «y», вытянуть ногу вниз на величину «z» и т. д.). Однако у людей есть нет механизма «обратной связи» — ваш мозг не сообщает вашим ногам постоянно о том, куда их поставить. Вместо этого вы просто наклоняетесь вперед и «падаете», настраивая ногу на поглощение удара, когда ваша ступня соприкасается с полом».

Так что маловероятно, что мы сможем увидеть работающего Оптимуса Прайма или подобного ему робота при нашей жизни. Но роботы, которые могут менять свою форму или принимать любую форму, уже существуют. Мы рассмотрим некоторые из них и их сравнение с Prime в следующем разделе.

1. Самонастраивающиеся роботы
2. Решетчатые роботы
3. Рой параллельных мозгов

Самое крутое в Трансформерах, конечно же, то, что они могут принимать две совершенно разные формы. Большинство из них могут быть двуногими роботами или рабочими транспортными средствами. Некоторые могут вместо этого превращаться в оружие или электронные устройства. Две формы Трансформера имеют совершенно разные силы и возможности.

Это полностью отличается от большинства реальных роботов, которые обычно хорошо справляются только с одной или несколькими связанными задачами. Марсоходы для исследования Марса , например, могут делать следующее:

Исследовательский вездеход не очень хорошо справляется с задачами, не подпадающими под эти категории. Например, он не может собрать мост , вписаться в очень маленькое пространство или построить других роботов. Другими словами, из него получится паршивый поисково-спасательный робот, и он совершенно не впишется в автоматизированный завод.

Вот почему инженеры разрабатывают роботов с реконфигурацией . Как и трансформеры, эти роботы могут менять свою форму, чтобы соответствовать поставленной задаче. Но вместо того, чтобы менять одну форму на другую, как двуногий робот на тягач с прицепом, реконфигурация роботов может принимать множество форм. Они намного меньше, чем настоящие Трансформеры; некоторые реконфигурирующие роботизированные модули достаточно малы, чтобы поместиться в руке человека.

Модуль — это, по сути, небольшой, относительно простой робот или часть робота. Модульные роботы состоят из множества таких маленьких одинаковых модулей. Модульный робот может состоять из нескольких или многих модулей, в зависимости от конструкции робота и задачи, которую он должен выполнять. Некоторые модульные роботы в настоящее время существуют только в виде компьютерных симуляций; другие все еще находятся на ранних стадиях разработки. Но все они работают по одному и тому же основному принципу — множество маленьких роботов можно объединить в один большой.

Модули мало что могут сделать сами по себе. Система реконфигурации также должна иметь:

Большинство модульных реконфигурируемых роботов относятся к одной из трех категорий: цепная, решетчатая и модульная конфигурация. Цепные роботы представляют собой длинные цепочки, которые могут соединяться друг с другом в определенных точках. В зависимости от количества цепочек и места их соединения эти роботы могут напоминать змей или пауков. Они также могут стать вращающимися петлями или двуногими шагающими роботами. Набор модульных цепей может преодолевать полосу препятствий, ползая по туннелю как змея, пересекая каменистую местность как паук и проезжая на трехколесном велосипеде по мосту как двуногий.

Примерами цепных роботов являются Polybot и Polypod Исследовательского центра Пало-Альто (PARC) и Snakebot НАСА . Большинству нужен человек или, теоретически, другой робот, чтобы вручную закрепить соединения винтами.

Симулированные роботы

Компьютерное моделирование является жизненно важной частью исследований в области робототехники, особенно при изменении конфигурации роботов. Ученые используют компьютеры, чтобы выяснить, как модули будут двигаться по отношению друг к другу, прежде чем обучать модули, как это делать. В некоторых случаях компьютерные симуляции существуют задолго до появления реальных роботов. В Русской лаборатории робототехники Массачусетского технологического института (MIT) есть многочисленные симуляции того, как эти роботы передвигаются.

Основная идея решетчатого робота состоит в том, что он состоит из множества маленьких одинаковых модулей, которые могут объединяться в более крупного робота. Уже существует несколько прототипов решетчатых роботов, но некоторые модели существуют только в виде компьютерных симуляций. Решетчатые роботы передвигаются, ползая друг по другу, прикрепляясь и отсоединяясь от точек соединения на соседних роботах. Это похоже на то, как плитки двигаются в головоломке со скользящими плитками. Такой способ передвижения называется реконфигурацией субстрата — роботы могут двигаться только по точкам внутри решетки роботов. Решетчатые модули могут иметь автономные источники питания или совместно использовать источники питания через соединения с другими модулями.

Решетчатые роботы могут передвигаться по труднопроходимой местности, перелезая друг через друга, следуя форме местности, или они могут образовывать прочную устойчивую поверхность для поддержки других конструкций. Достаточное количество решетчатых роботов могут создать практически любую форму. Компьютерное моделирование показывает, как они превращаются из груды деталей в чайную чашку и из собаки в диван. Модули можно комбинировать для создания плоских поверхностей, лестниц, подвижных придатков и практически любой другой мыслимой формы. Так что решетчатый робот больше похож на Терминатора Т-1000, чем на Трансформера.

Лаборатории робототехники создали и теоретизировали несколько систем решетчатых роботов:

Как и решетчатые роботы, мобильные роботы-реконфигураторы представляют собой небольшие идентичные модули, которые могут объединяться в более крупных роботов. Однако им не нужна помощь соседей, чтобы передвигаться с места на место — они могут передвигаться самостоятельно. Роботы с мобильной конфигурацией очень похожи на мультяшные изображения косяков рыб или стай птиц, которые объединяются, чтобы создать инструмент или структуру. Они двигаются независимо друг от друга, пока им не понадобится собраться вместе для выполнения конкретной задачи. Роевые боты , проект программы Future and Emerging Technologies в Европейском союзе, представляют собой мобильных роботов с реконфигурацией.

Несмотря на то, что эти роботы очень отличаются друг от друга, у них много общего в том, как они двигаются и работают. Мы рассмотрим их далее.

Настоящий трансформер

Трансформеры не обязательно практичны или даже возможны в больших масштабах. Но инженеры Himeji Soft Works разработали небольшого робота, который действительно превращается из автомобиля в двуногого и обратно. Вы можете посмотреть видео этого робота, включая его трансформацию, на YouTube .

В дополнение к своим размерам и модульной структуре самореконфигурируемые роботы отличаются от трансформеров одним существенным образом. Оптимус Прайм и другие Трансформеры обладают самосознанием и могут принимать независимые решения, а также держат свой мозг в одном месте внутри своего тела. Мозг Трансформера контролирует каждую из его движущихся частей, а сами части практически не имеют автономии.

Тем не менее, в большинстве конфигураций модульных роботов каждый модуль имеет определенную власть над принятием решений и помогает понять, куда он собирается двигаться. Вместо того, чтобы один модуль был боссом всех остальных, возможности планирования и движения распределены по всем модулям.

Эта идея — рой маленьких роботов, каждый из которых сам решает, куда ему идти, — может показаться катастрофической. Но модули запрограммированы набором основанных на геометрии правил о том, как двигаться. Они также запрограммированы алгоритмами, управляющими их движением. Эти алгоритмы и правила позволяют роботам понять, как переходить из одной формы в другую и перемещаться по местности.

Для очень сложных маневров роботы вместо этого планируют серию подформ, а не пытаются внести серьезные изменения за один шаг. Например, решетчатый робот, которому нужно превратиться из случайной кучи модулей в двуногого робота, может сначала сформировать ноги. Затем он может использовать эти ноги в качестве подмостей для сборки верхней половины робота.

В настоящее время многие из этих роботов могут самостоятельно совершать простые переходы из одной формы в другую. Более сложные изменения могут потребовать помощи ученого, что сделает коллекцию роботов полуавтономной, а не автономной. Несколько роботов, которые все еще находятся на ранних стадиях разработки, получают все инструкции с компьютерной рабочей станции и не принимают никаких решений самостоятельно.

В настоящее время большинство реконфигурирующих роботов имеют свою собственную систему правил и алгоритмов, а наборы правил работают только для тех роботов, для которых они были разработаны. Другими словами, правила для «Кристалла» Лаборатории робототехники «Русь» не будут работать с «Молекулой».

Однако ученые используют компьютерное моделирование для исследования теорий движения, которые могут работать независимо от того, как выглядит роботизированный модуль. Эти теории могут установить основные правила движения роботов, в том числе:

В случае успеха это исследование может облегчить инженерам создание новых работающих модульных роботов, которые следуют тем же правилам движения.

Несмотря на то, что эти роботы не ходят и не разговаривают, как трансформеры, они могут принимать практически любую форму при правильном программировании и инструкциях. Чтобы узнать больше о них и о трансформерах, перейдите по ссылкам на следующей странице.

Где трансформеры хранят свои мозги?

Во время работы над этой статьей у сотрудников была оживленная дискуссия о том, где Трансформеры хранят свой мозг. Мы все интуитивно подсказали один и тот же ответ: мозг Трансформера должен быть в его голове (или в его кабине в форме транспортного средства). Многие изображения комиксов и мультфильмов, кажется, поддерживают эту идею. Однако это не полностью объясняет, как части Optimus Prime могут работать по отдельности, если только Prime не использует радио- или инфракрасные сигналы для отправки и получения команд. Это также не полностью объясняет, почему личности Конструктиконов отличаются от их составных Трансформеров. Вы можете больше узнать о мозге Трансформеров и о том, как они работают, в The Matrix , неофициальном журнале о Трансформерах.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок

Источники