С древних времен человек мечтал о механических помощниках. Современные роботы — это программируемые машины, способные воспринимать окружающую среду и выполнять физические действия самостоятельно или под управлением человека. Робототехника объединяет механику, электронику, теорию управления и программирование, а ее развитие заняло столетия. В 1920-х годах роботы стали появляться в научно-фантастических рассказах и фильмах, а инженеры со всего мира создавали первые механические устройства. Они могли выполнять очень ограниченное количество действий, но этого было достаточно, чтобы поразить воображение еще не искушенной публики и породить интерес к робототехнике у новых поколений. Сегодня человек сталкивается с роботами с завидной регулярностью. Они имеют разную форму и назначение. Роботы выполняют повторяющиеся операции на заводах, исследуют океан и космос, помогают врачам, работают в опасной среде, используются в быту, образовании и развлечениях. Они вошли в школы, больницы, лаборатории и заводы по всему миру, став неотъемлемым атрибутом прогресса.
История робототехники началась еще тысячи лет назад с создания примитивных механических кукол. Прошло много времени, прежде чем люди придумали машины, имитирующие жизнь. Первые роботизированные животные и музыканты появились для развлечения. Позже развитие электроники позволило изобретателям создать интеллектуальные устройства. Однако робот со всеми способностями настоящего человека остается пока мечтой.
Прообразами роботов были механические машины, простые по меркам XXI века, но удивительно прогрессивные для своего времени.
Одно из самых ранних преданий о самодвижущемся механизме связано с Архитом Тарентским, жившим в IV веке до нашей эры. Поздние античные авторы приписывали ему деревянного «голубя», который мог двигаться по воздуху, возможно благодаря сжатому воздуху или пару. Точное устройство машины и тем более достоверная дальность ее движения неизвестны, поэтому рассказ следует воспринимать как свидетельство раннего интереса к автоматам, а не как описание подтвержденного летательного аппарата.
Если изобретение Архита было скорее игрушкой, то машина Ктезибия, еще одного древнегреческого механика, носила прикладной характер. Его водяные часы, созданные в конце III века до нашей эры, нельзя назвать роботом в современном понимании этого слова, однако именно они дали толчок к развитию механических устройств. Ктезибий усовершенствовал водяные часы, применив способы более равномерной подачи воды и механической индикации времени. Такие устройства стали важным этапом развития автоматического регулирования и сложных механизмов.
В Средние века и раннее Новое время мастера создавали автоматы для башенных часов, дворцов, храмов и развлечения состоятельных заказчиков. Фигуры приводились в движение гирями, пружинами, кулачками, рычагами и другими механическими устройствами. Позднее широкое распространение получили часы и музыкальные автоматы с движущимися фигурками.
Однако механики и изобретатели на этом не останавливались, продолжая создавать удивительные для своего времени устройства. Так, французский изобретатель Жак де Вокансон в 1738 году публично представил механического флейтиста, способного исполнять 12 мелодий. Автомат действительно воздействовал на настоящий инструмент: подавал воздух и менял положение губ и пальцев с помощью сложной механики.
Предшественники роботов стали появляться и в Азии. В XVIII веке в Японии началось производство кукол каракури-нингё. Самая известная — тяхакоби — держала в руках поднос. Если на него ставили чашку с чаем, кукла передвигалась в сторону гостя. Когда он брал чашку — кукла останавливалась, когда ставил обратно — тяхакоби разворачивалась и возвращалась на свое место.
В 1788 году австриец Вольфганг фон Кемпелен продемонстрировал говорящую машину, способную воспроизводить голос трехлетнего ребенка. Устройство представляло собой деревянный ящик длиной около метра и шириной примерно 50 сантиметров, внутри которого располагалась сложная система мехов, клапанов, штифтов и прочих деталей. Однако в историю фон Кемпелен вошел как создатель другого изобретения — шахматного турка.
Условно все устройства, которые дали толчок к развитию механики и стали предшественниками современных роботов, можно разделить на три группы. В основе их работы лежали сложные механизмы шестеренок, рычажков, пружин и прочих деталей, однако использовались конструкции для разных целей.
Робототехника — это прикладная наука, которая занимается разработкой автоматизированных технических систем и является важнейшей технической основой интенсификации производства.
В конце XIX — первой половине XX века разработка сложных устройств, управляемых человеком либо самостоятельно выполняющих какие-либо функции, занимала многих ученых, инженеров, механиков, которые старались придумать принципиально новые механизмы.
В 1851 году в лондонском Гайд-парке прошла Великая выставка промышленных работ всех народов — один из символов индустриальной эпохи и интереса публики к новым машинам. Позднее, на Всемирной выставке 1878 года в Париже, Пафнутий Чебышёв демонстрировал свою стопоходящую машину: механизм преобразовывал вращение в движение, напоминающее шаг.
В 1898 году на электрической выставке в Мэдисон-сквер-гарден в Нью-Йорке Никола Тесла продемонстрировал радиоуправляемую лодку, названную им teleautomaton. Оператор передавал команды по радио, управляя движением и отдельными функциями модели. Тесла рассматривал различные применения дистанционного управления, включая военные.
В 1927 году инженер Рой Джеймс Уэнсли демонстрировал Televox — систему, которая реагировала на звуковые сигналы определенной высоты и дистанционно включала электрические устройства. Позже она получила человекоподобный корпус. В 1928 году в Великобритании появился сценический робот Eric, выполнявший заранее подготовленные движения и реплики. В том же году японский биолог Макото Нисимура создал Gakutensoku — пневматический автомат, способный двигать головой и руками и менять выражение лица. В 1932 году в Великобритании демонстрировали человекоподобного робота Alpha.
Компания Westinghouse создала Elektro в конце 1930-х годов для Всемирной выставки в Нью-Йорке 1939–1940 годов. Он мог выполнять набор запрограммированных движений и воспроизводить сотни записанных слов. «Голосовые команды» распознавались не как обычная человеческая речь: электроника реагировала на определенные последовательности звуков. В 1940 году вместе с Elektro демонстрировали робота-собаку Sparko.
С 1948 по 1951 год английский нейрофизиолог Уильям Грей Уолтер проводил работу над созданием и совершенствованием первых биоморфных роботов, получивших название «черепашки». В дальнейшем устройства, моделирующие поведение живых организмов, стали предметом пристального внимания и изучения. Широкую известность получила мышь Клода Шеннона, находившая дорогу в лабиринте. Не менее интересными были белка Эдмунда Беркли (она собирала орехи и относила их в гнездо), электронные лисицы Барбара и Джоб (создатель — французский физик Альбер Дюкрок), черепаха Эйхлера (реагировала на свет, звук и прикосновение: одновременное воздействие двух раздражителей — тактильного и звукового — вызывало возникновение условного рефлекса).
В 1943 году в Пенсильванском университете началась разработка ENIAC — одного из первых электронных цифровых компьютеров общего назначения. Первоначально машину создавали для расчета артиллерийских таблиц, позднее на ней решали и другие крупные вычислительные задачи. ENIAC стал важной вехой в истории электронных вычислений, хотя называть его без оговорок «первым компьютером» некорректно: это зависит от выбранного критерия.
Будучи нейрофизиологом, Уильям Грей Уолтер хотел, чтобы его «черепашки» повторяли поведение животных. Отчасти ему это удалось.
Роботы Уильяма Грея Уолтера (1910–1977) получили свое название из-за формы корпуса и неторопливого движения. Их поведение возникало не из сложных вычислений, а из сравнительно простых аналоговых схем с обратной связью. Устройства реагировали на освещение, препятствия и уровень заряда; основные режимы включали: поиск света («голод»), движение в направлении источника света, избегание препятствий и слишком яркого освещения («боль»). Сам изобретатель называл их machina speculatrix.
Более поздние модели Уолтера получали дополнительные датчики и схемы обучения. Простые реакции на свет, звук, препятствия и заряд батареи могли создавать неожиданно сложные траектории, особенно когда рядом находились другие такие же машины. Именно это было главным научным интересом проекта: сложное на вид поведение возникало из небольшого числа правил и обратных связей. Реплики «черепашек» строят и сегодня как учебные проекты.
В Месопотамии (современный Ирак) колесо приспособили для использования на транспортных средствах.
Поздняя античная традиция приписывает Архиту Тарентскому деревянного «голубя», который мог двигаться благодаря пневматическому или паровому принципу. Точная конструкция и дальность его движения неизвестны.
Древнегреческий изобретатель Ктесибий из Александрии обнаружил, что сжатый воздух может быть использован для перемещения машин.
Появились первые инструменты, которые могли воспроизводить мелодии без участия человека-музыканта. Для их создания использовались пружинные механизмы.
Голландский инженер Корнелиус Дреббель изобрел термостат. Механическое устройство применялось для управления температурой внутри печи.
В Хайльбронне (Германия) создан механический театр, содержащий 119 анимированных фигур, которые исполняли пьесу о деревенской жизни.
Французский изобретатель Жак де Вокансон создал знаменитую механическую утку, которая двигала крыльями, «ела» и «пила». Эффект пищеварения был иллюзией: автомат не переваривал пищу по-настоящему.
Французский страховой агент Томас де Кольмар изобрел первую практическую вычислительную машину, которая складывала и вычитала, умножала и делила (с трудом) числа.
Британский математик Джордж Буль опубликовал трактат «Исследование законов мышления, на которых основываются математические теории логики и вероятностей», в котором рассказал о логической алгебре. Позже она будет использована для проектирования компьютеров и роботов.
Действие пьесы чешского писателя Карела Чапека «R.U.R.» («Россумские универсальные роботы») разворачивается на фабрике, производящей роботов — искусственных людей. После публикации произведения слово «робот» стало популярным.
Американский писатель-фантаст Айзек Азимов в рассказе «Хоровод» сформулировал три обязательных правила поведения (закона) для робота.
В 1945 году в отчете по проекту EDVAC была подробно описана архитектура хранимой программы, тесно связанная с именем Джона фон Неймана. Этот принцип стал основой огромного числа последующих компьютеров.
Английский нейрофизиолог Уильям Грей Уолтер создал два механических робота — «черепашек»
Элмера и Элси. Несмотря на простую конструкцию, они продемонстрировали поведение, свойственное живым существам.
Британский математик Алан Тьюринг сформулировал идею определения того, может ли машина мыслить. Если люди не могут понять, с кем они говорят (с человеком или компьютером), не видя собеседника, то тест считается пройденным.
Термин «искусственный интеллект» предложил Джон Маккарти при подготовке Дартмутского исследовательского проекта 1956 года; предложение семинара он составлял вместе с Марвином Минским, Натаниэлем Рочестером и Клодом Шенноном.
Американский исследователь Фрэнк Розенблатт разработал перцептрон — одну из первых обучаемых моделей искусственной нейронной сети. В 1958 году был продемонстрирован аппаратный Mark I Perceptron, обучавшийся различать простые зрительные образы.
Джордж Девол разработал принцип программируемого манипулятора, а Джозеф Энгельбергер помог превратить идею в коммерческий продукт компании Unimation. Первый Unimate установили на заводе General Motors в 1961 году.
Shakey, разрабатывавшийся с 1966 по 1972 год, стал первым мобильным роботом, способным строить план действий на основе модели окружающей среды и полученной команды.
Департамент искусственного интеллекта Эдинбургского университета продемонстрировал робота по имени Freddy II, который может собрать объект, выбирая правильные компоненты.
Американский исследователь Дуглас Ленат, понимая, что роботы ничего не знают о реальном мире, начал проект Cyc. Его целью стало создание компьютерной базы данных, содержащей все человеческие знания.
Промышленный манипулятор PUMA 560 использовали для точного позиционирования инструмента при компьютерно-томографически направляемой биопсии мозга. Это был один из ранних этапов роботизированной хирургии, а не автономная операция.
Один из первых шестиногих роботов разработан в Массачусетском технологическом институте. Каждая нога имеет по два двигателя с обратной связью для более легкой ориентации при столкновении с препятствием.
Суперкомпьютер Deep Blue II компании IBM выиграл матч из шести партий у сильнейшего шахматиста мира Гарри Каспарова.
В городе Нагоя (Япония) прошел первый футбольный турнир среди роботов RoboCup.
Международная японская компания Honda представила робота-гуманоида P3 — усовершенствованную модель первого в мире автономного прямоходящего робота-андроида Honda P2, который был разработан в 1996 году и являлся предком ASIMO. Honda P3 мог ходить, подниматься по лестнице, пожимать руку и вставать с колен.
Профессор Кевин Уорвик из Университета Рединга имплантировал себе RFID-чип в рамках эксперимента Cyborg 1.0. Система могла идентифицировать его рядом с оборудованием и автоматически выполнять заранее настроенные действия. Формулировка «первый киборг» была частью публичного описания проекта, а не общепринятым научным титулом.
Компания Sony выпустила коммерческую роботизированную собаку AIBO, которая стала одним из самых известных домашних роботов конца 1990-х годов.
В 2000 году система da Vinci получила разрешение FDA для ряда лапароскопических процедур. Это роботизированная хирургическая система, которой управляет врач; самостоятельно проводить операцию она не может.
Разработанный в Канаде роботизированный манипулятор «Канадарм-2» начал работу на Международной космической станции.
NASA запустило марсоходы Spirit и Opportunity в 2003 году, а посадку на Марс они выполнили в январе 2004 года.
Американская компания Vecna Technologies представила рабочий прототип робота BEAR, предназначенного для спасательных работ на поле боя.
В Корнельском университете продемонстрировали модульные машины, способные собирать копию своей конструкции из заранее подготовленных одинаковых модулей. Это важный эксперимент по самореконфигурации, но не «размножение» из сырья в биологическом смысле.
Google показал компактный прототип беспилотного автомобиля Firefly без привычных органов управления. Однако исследования автономного транспорта велись задолго до 2014 года; проект Google позднее был выделен в компанию Waymo.
В чем-то роботы опередили человека. Они уже побывали на Марсе и на дне океана, передвигаются по лунной поверхности и вулканической лаве. Благодаря получаемым от машин сведениям человечество совершает большое количество открытий, которые были бы невозможны без таких помощников. Прогресс не стоит на месте. Технологии, которые еще несколько десятков лет назад казались чем-то недостижимым, сегодня стали вполне обыденными. Поэтому интересно, какие роботы появятся в будущем. Ученые, инженеры, социологи, футурологи и специалисты множества других областей работают сообща, чтобы вывести разработки роботов на принципиально новый уровень.
Роботы давно перестали быть простой игрушкой. С каждым годом они становятся все более востребованными в промышленности: число машин, выполняющих работу, которую раньше делали люди, растет с каждым днем.
Автоматизация различных процессов актуальна в настоящее время во всем мире.