Модульные роботы M-Blocks, которых не может быть
Андрей Васильков
Опубликовано 07 октября 2013
Молодой инженер Джон Романишин (John Romanishin) роботов M-Blocks, которые совсем недавно считались невозможными. Они уникальны тем, что умеют выполнять самосборку, и в них отсутствуют внешние подвижные части. Такая конструктивная особенность не мешает им передвигаться, карабкаться, соединяться друг с другом и демонстрировать другие чудеса ловкости.
Обсуждение возможностей роботов M-blocks (фото: Larry Hardesty / MIT).
Ранее два профессора робототехники заявляли о бесперспективности попыток создания таких моделей. Романишин предложил идею самостоятельно собирающихся модульных роботов два года назад, когда был студентом MIT. Его куратор профессор Даниэла Рус (Daniela Rus) ответила кратко: «Это невозможно». Спустя два года, когда разработка прототипа уже была почти завершена, её слова повторил профессор Корнеллского университета Ход Липсон (Hod Lipson).
Позже Даниэла признает свою неправоту и возглавит проект, но тогда она была настроена крайне скептически. Вместе с коллегами она рассказала Джону об опыте создания подобных роботов в рамках проекта Molecule. Самостоятельной сборке более сложных механизмов из универсальных роботизированных блоков препятствовала именно проблема выступающих элементов. Их пробовали миниатюризировать, делать выдвижными, предлагали концепцию «скользящей самосборки», но конструкция только усложнялась. Однако попыток не прекратили. Их важность Даниэла Рус комментирует на страницах сайта MIT:
Модульные роботы — это будущее. В отличие от специализированных моделей, они универсальны и могут адаптироваться под любые задачи.
Каких-то практических результатов до сих пор удалось достичь только группе Эрика Швайкарда (Eric Schweikardt) из компании Modular Robotics. Однако их самосборка — тонкий процесс, который пока часто требует вмешательства человека.
Предлагаемый Джоном вариант и вовсе казался абсурдным. Как заставить двигаться кубики с шестью гладкими сторонами? Идея создания таких роботов напоминала рассказ барона Мюнхгаузена о вытаскивании себя из болота за парик.
В самом деле — любой движущийся механизм перемещается за счёт взаимодействия с окружающей средой или поверхностью. Колёса автомобиля и гусеницы тяжёлой техники катятся, ноги шагающих роботов отталкиваются, винты создают тягу. Иначе работает реактивный двигатель, но здесь нет совершенно ничего подобного. Роботы M-Blocks двигаются как будто сами по себе.
Конечно, никакого нарушения законов физики (в частности третьего закона Ньютона) в них не происходит. Просто Джону и помогавшему ему Кайлу Глипину (Kyle Gilpin) удалось точно рассчитать условия для эффективного применения старой идеи — движения тела за счёт внутреннего перемещения массы.
Годами в разных формулировках её высказывали десятки изобретателей, и часто независимо друг от друга. Попытки создать физическую модель обычно заканчивались неудачей из-за невозможности учесть множество второстепенных факторов или некорректного объяснения наблюдаемых эффектов.
Современный вариант описан в патенте США 2,886,976, выданном в 1956 году. В двух словах: если массивное тело внутри объекта будет перемещаться от стороны «B» в направлении стороны «A» и обратно, то в большинстве случаев сам объект останется неподвижным. Однако можно подобрать параметры внутреннего перемещения массы так, что сила трения скомпенсирует отдачу на первом этапе цикла и удержит объект от перемещения назад. Тогда объекту будет сообщено поступательное движение в направлении «A->B». Ключевой момент состоит в том, что взаимодействие со средой для объекта сохраняется (через силу трения), но внешне процесс выглядит как магическое перемещение.
Такой тип устройств получил название «инерциоиды» и был популярен в семидесятых годах, находя применение в основном в развлекательных целях. По понятным причинам данный способ не работает на скользкой поверхности и тем более в условиях невесомости (см. печальный эксперимент Роскосмоса «Гравицапа»). Он практически бесполезен в технике (обычные колёса удобнее), но может оказаться единственным в специфических условиях применения.
Устройство робота M-Block (фото: M. Scott Brauer).
Внутри каждого M-блока размещён маховик, вращающийся с частотой до 2 000 об/мин. В момент резкой остановки маховик передаёт кинетический момент кубу, что приводит к его направленному движению. На каждом ребре M-Block и на каждой его стороне расположены магниты, помогающие кубам соединяться между собой. Соавтор разработки Кайл Глипин так комментирует её особенности:
«Вы можете остановить движение отдельного куба в любой момент времени. Точность его соединения с другими обеспечивается магнитами. Они имеют подвижное крепление и самостоятельно переориентируются разноимёнными полюсами друг к другу. Поэтому кубы могут соединяться любыми сторонами и гранями. Это совершенно уникальная система».
Грани кубов немного скошены, поэтому между ними (и между магнитами) всегда остаётся небольшой зазор. Это обеспечивает возможность реконфигурации и лёгкость изменения формы образованной кубами фигуры.
Разработка роботов M-blocks (фото: mit.edu).
Пока роботы двигаются не слишком уверенно, однако проект находится на ранней стадии. В будущем роботы M-Blocks будут не только собирать себя самостоятельно и менять форму. Помимо универсальных блоков, появятся специализированные — несущие различные датчики, модули беспроводной связи, источники питания, компоненты манипуляторов и другие элементы:
Практически все альтернативные модульные системы чувствительны к утрате своих элементов. Они не вернутся на место сами, если отсоединятся в процессе работы. M-blocks способны реконфигурироваться постоянно.
Основные усилия команды направлены сейчас на миниатюризацию блоков. Конечная цель — создать множество микроскопических роботов, способных к самостоятельной сборке в любые макроструктуры, от ручных инструментов до инженерных сооружений. Очень похоже на продвигаемую DARPA идею «умной пыли» или на частицы «жидкой» модели из второй части «Терминатора».
Их автор утверждает, что это произойдёт быстрее, чем вы думаете, но указывает исключительно созидательные области применения. М-Blocks помогут в ликвидации чрезвычайных ситуаций, будут способны работать в труднодоступных человеку и обычным роботам местах, подстраиваясь под меняющиеся условия и восстанавливаясь после повреждений.
Сейчас Джон работает в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Он занимается разработкой и внедрением новых распределённых систем в сфере робототехники.
IGZO-технология, представленная Dell в ноутбуках, может повысить и чёткость изображения, и продажи ИТ
Михаил Ваннах
Опубликовано 07 октября 2013
О грустном для классических персональных компьютеров — десктопов и ноутбуков — прогнозе на этот год, сделанном аналитиками IDC, мы говорили в колонке «». Напомним вкратце, что, по мнению International Data Corporation, поставки традиционной вычислительной техники в 2013 году упадут на 9,7%. Причины — коктейль из глобальной экономической ситуации (IDC делало прогноз ещё задолго до учинённого исполнительной и законодательной властями США шатдауна) и отсутствия принципиально новых возможностей, предлагаемых потребителю. Причём — возможностей наглядных, видимых невооружённым взглядом конечному пользователю.
Телевизор UltraHD по цене, конечно, ближе к микролитражке, но пожилым родителям в роли качественного окна в мир его покупают…
Мы ещё летом предполагали, что следующий виток потребительского спроса в информационных технологиях будет связан с внедрением стандарта 4K в бытовую электронику и потребительские устройства («»). С потребительским рынком — даже в губернских городах — всё в порядке. В паре ближайших магазинов электроники народ взирает на телевизоры формата UltraHD, а сибсы (в варварско-псевдонаучном наречии англосаксов этот социологический термин обозначает сестёр и братьев) скидываются на такой агрегат родителям на золотую свадьбу (стоит он в пересчёте на доллары примерно столько же, как в конце 90-х плазменная панель меньшей диагонали и несопоставимо меньшего разрешения). И демонстрируют снятый в 4К ролик с внуком, резвящимся на пляже Индийского океана (что потребовало привычки носить с собой штатив и пользоваться им). Пока это недешёвое удовольствие, но закон Мура никто не отменял, и панели UltraHD вскоре станут столь же общедоступны, как и обычные LED…
А вот теперь хорошие новости приходят от Dell Inc. — или как там её нынче надлежит называть после событий, связанных с её предстоящим buyout’ом (то ли выкупом бывшим владельцем Майклом Деллом, то ли реприватизацией). Это — третий (уступающий HP и Lenovo) из крупнейших вендоров вычислительной техники в мире. в планетарном списке крупнейших компаний Fortune-500. Более ста тысяч работников. И вот действительно приличный ноутбук. Это — Dell XPS 15 с дисплеем в 15,6 дюйма. И разрешение его уже ближе к стандарту 4K, нежели к нынешнему FullHD, которым вынуждены довольствоваться обладатели устройств такой диагонали, не желающие «мыслить инаково»… Оно – 3200×1800 пикселей (обозванное стандартом quad HD+, учетверённый HD+, то бишь 1600×900 пикселей).
Посмотрев в качестве 720р на эту картинку, можно составить об уровне экрана нового Dell XPS 15 примерно такое же впечатление, которое имел посетитель «Гамбринуса», которому напели Карузо…
В потребительском плане такой дисплей превосходит пресловутый Retina Display с разрешением 2880×1800 пикселей, которым гордились — и вполне заслуженно — и производители, и обладатели ноутбуков MacBook Pro, и приближается к качеству Nexus 7 образца 2013 года. Ну а картинка — это именно то, что видит потребитель и за что он готов отдать деньги… Нет-нет, на качество написанных текстов и на рентабельность организованного бизнеса разрешение экрана влияет не так уж сильно. Пушкин Александр Сергеевич гусиным пером писал, при дрожащем свете свечей, а где те, кто может с ним сравниться на просторах рунета, имея даже самую эргономичную клавиатуру и самый чёткий монитор… Только вот какое дело: привыкнув к работе с экраном качественным, потом уже пользоваться чем-то худшим психологически невозможно… Падение характеристик злит, даже если даёт выигрыш во времени автономной работы (не зря же встарь любили бумагу верже). Так что отделам сбыта есть что предложить потребителю, ну а потребителю остаётся выбрать время, когда нужное качество он сможет купить по той цене, которая покажется ему разумной…
Творец IGZO-технологии профессор Хидео Хосоно по версии Business Insider является претендентом на Нобелевскую премию.
Но возможности эти предложены технологией. Dell представила устройство, в котором применена технология действительно новая. Зовётся она IGZO. Это аббревиатура для нового полупроводникового материала. Оксида индия, галлия и цинка (In-Ga-Zn-O). Материал действительно нов. Всего лишь десять лет назад профессор Токийского технологического института Хидэо Хосоно (Hideo Hosono) первый прозрачный транзистор из кристаллического оксида индия, галлия и цинка. Год спустя было о первом гибком прозрачном транзисторе из аморфного оксида этого же материала. Запатентованы плёнки из оксида индия-галлия-цинка (IGZO-TFT) и их применение Японским научно-технологическим агентством (Japan Science and Technology Agency). В 2011 году лицензию приобрела Samsung, а в 2012-м — Sharp. Летом 2013 года на международной выставке Dell Inc. представила 32-дюймовый монитор UltraSharp 32. Dell UltraSharp 32 — это монитор на IGZO-матрице с разрешением Ultra HD: говоря в пикселях — 3840×2160, на дюйм приходится 140 пикселей, хроматическая гамма – 1,07 млрд цветов… Так что налицо полномасштабная тенденция к переходу на новую технологию.
Dell UltraSharp 32.
Чем же хорош новый материал? Для начала вспомним, что экраны с плёнками из аморфного кремния, который он заменяет, впервые появились на ноутбуках субкомпактного класса. (В аморфное состояние кремний приходилось переводить из кристаллического потому, что стекло, на котором ему предстояло жить и работать, даже не честный твёрдый материал, а гнусная переохлаждённая жидкость…) Были такие устройства, предшествовавшие и по размерам примерно соответствующие нетбукам, но несопоставимо более дорогие, от двух тысяч долларов. Их девяти–десятидюймовые экраны по тем временам поражали чёткостью, заставлявшей тянуться к бумажнику. А у оксида индия, галлия и цинка есть одно свойство, которым он превосходит аморфный кремний. Зовётся оно подвижностью электронов (electron mobility). И вот в среде IGZO она в 40–50 раз больше, чем у аморфного кремния. Одним из параметров, по которому даже лучшие матрицы IPS безнадёжно уступают SuperAMOLED, является время переключения тонкоплёночных транзисторов. С помощью технологических ухищрений, гидратизации аморфного кремния (нет-нет, он не подмачивается, а просто насыщается водородом) положение исправляют, но не намного… А тут — прорыв. Экраны будут реагировать быстрее, а пиксели можно делать меньше по размеру. Изображение станет более естественным… Поэтому механизмы переноса электронов при создании IGZO-технологии очень тщательно: суть дела в них…