XX век: машины учатся ходить

01 апреля 1975 года, 00:00

XX век: машины учатся ходить

В июне 1973 года на моих глазах шестиногий робот-планетоход перешагнул через расщелину, одолел крутой горный уступ, спустился в глубокое ущелье, выбрался оттуда; на вершине высокого пика, где едва уместились опоры всего лишь четырех его ног, остановился, чтобы «обдумать» дальнейший путь, шагнул вниз и... исчез.

Исчез как призрак.

Да он и был «призраком», хотя, повторяю, я видел все его движения.

Но о природе этого «призрака» после. Все космическое начинается на Земле, а потому с нее и начнем.

Ошибка природы?

Природа не изобрела колеса, а человек изобрел. Мы часто и с гордостью повторяем это, особенно когда мчимся на машине по прекрасному шассе. Но — стоп! Шоссе кончилось, а до цели осталась всего сотня-другая метров. Вы съезжаете на бездорожье, ну и как, довольны вы теперь колесом? Пешком одолеть эти сотни метров куда проще, чем на автомобиле... А уж если грязь или болото, тут в отличие от пешехода любой колесный вездеход спасует.

Ситуация обычная, каждодневная, но для чего же трактор? Уж он вытянет! И вытягивает, при каких только работах, на каких стройках он не вытягивает!

Значит, все более или менее в порядке, и беспокоиться, в общем, не о чем? Если бы так... Колесо — это обязательно дорога. Причем дорогая, если хочешь ездить с удобством и быстро. Добавим, что почти две трети суши — это ледяные, снежные и песчаные пустыни, тундра и горы, леса и овраги, болота и топкие берега. Применение колесного транспорта в этих условиях нередко обходится так дорого, словно машина отлита из чистого золота. А трактор, любая гусеничная машина тяжела, тратит при перемещении много энергии, да и не такой уж это вездеход — преодолевает отнюдь не все препятствия. И еще один серьезный недостаток: гусеницы сминают растительный покров, ломают кустарник и молодые деревья. Для тундры, где все возобновляется медленно, на горных: склонах или в степи, где трава едва сдерживает песок, это серьезная, чреватая гибелью природы проблема.

А человеку нужна планета, легкодоступная в каждом своем уголке. Ни колесо, ни гусеница идеально обеспечить такую доступность не могут. Нужен такой вездеход, который одинаково свободно переносил бы людей и грузы по снежному покрову и пескам, преодолевал бы поваленные стволы и каменные глыбы, болота и топи, канавы и овраги, ручьи и реки. Наряду с высокой проходимостью он должен быть экономичным, надежным в работе, маневренным и легко управляемым. При этом он практически не должен портить природу. Именно в таком вездеходе сегодня остро нуждаются геологи, географы, геодезисты, полярники, прокладчики трубопроводов, высоковольтных электролиний, строители железных дорог и многие другие люди, которым приходится преодолевать бесконечное множество самых разных препятствий и которые по опыту знают, во что это обходится.

Это столь настоятельная потребность, что о замене колеса и даже гусеницы чем-то другим сейчас думают тысячи инженеров. И, естественно, «неизощренность» природы, которая не изобрела колеса, но обеспечила своих питомцев такими средствами передвижения, для которых практически нет преград, оборачивается мудростью. За сотни миллионов лет эволюции природа, создав множество биологических движителей, приспособила живые существа к различным видам перемещения по земле: бегу, прыжкам, ползанью, пресмыканию. И бионические исследования этих движителей приводят к мысли о том, что их вряд ли можно заменить каким-нибудь одним, универсальным. Видимо, наилучшего эффекта можно достичь, в каждом конкретном случае подбирая свой, оптимальный.

Это, например, значит, что прототипом, допустим снегохода, в первую очередь должны стать какие-нибудь исконные обитатели снежных просторов. К тому же самому выводу нас подводит практика. «Еще в Антарктиде я увидел недостатки многих машин: например, в рыхлом снегу буквально тонули тягачи», — вспоминает известный советский конструктор полярной техники профессор А. Ф. Николаев. Какими же, в таком случае, должны быть машины для движения по снежной пустыне? Ответ неожиданно дали пингвины. Эти забавные птицы передвигаются весьма своеобразным способом — на животе: отталкиваясь от снега ластами, словно лыжными палками, они развивают скорость до 25 километров в час. Этот принцип перемещения по рыхлому снегу лег в основу созданного под руководством А. Ф. Николаева снегохода с плицевыми движителями. Плицы выдвигаются на необходимую величину в зависимости от плотности снежного покрова. Водитель плавно уменьшает дорожный просвет, и машина, как пингвин, скользит на гладком фторопластовом днище корпуса, развивая по рыхлому снегу скорость до 50 километров в час.

Выходит, что бионик и инженер-транспортник не могут оставить без внимания, в сущности, ни одно живое существо, ибо есть чему поучиться у каждого. Давайте же приглядимся к способам передвижения, их не так уж много, которые эволюция отработала до совершенства и предлагает нам в качестве образцов.

Ходить сложнее, чем прыгать

Казалось бы, что ползание и пресмыкание в силу относительной медленности такого перемещения не должны вызвать у нас особого интереса. Однако не будем спешить с выводами.

Оба способа заключают в себе один «секрет». Они основаны на использовании следующих друг за другом импульсов вибрации. Подбор этих импульсов может заставить грунт «потечь» или, наоборот, уплотниться. Эту механику прекрасно освоила среднеазиатская ящерица песчанка (круглоголовка). При малейшей опасности тело ящерицы начинает вибрировать, и через несколько секунд она погружается в песок, точно в воду. Чуть изменился «настрой тела», и та же ящерица легко скользит по самому рыхлому песку.

Заманчивый принцип... Эксперимент, однако, даже превзошел ожидания. При собственном весе около двух тонн и с двигателем всего в четырнадцать лошадиных сил (мощность мотоциклетного мотора!) виброход тащил по целине груз весом... до десяти тонн! Этот же виброход без труда взбирался на песчаные откосы такой крутизны, что человек одолеть их не мог. Преимущество оказалось столь очевидным, что в Польше построили виброход мощностью всего в триста ватт. И эта малютка развозит по цехам грузы весом в несколько центнеров!

Правда, пока не удалось достичь большой скорости виброходов. Но инженерный анализ принципа показывает, что это временное техническое затруднение и что довольно быстроходную «механическую ящерицу» создать все-таки можно. Простой по конструкции, надежный, весьма экономичный вибротранспорт с успехом может использоваться в песчаных пустынях и на Севере. И — что очень важно для этих мест — виброход не разрушает ни мерзлоты, ни тонкого слоя песчаной дернины. Наоборот, он даже укрепляет почву!

Так обстоит дело с ползанием и пресмыканием. Преимущество же принципа ходьбы и бега вряд ли требует пространного пояснения. Гепард, по свидетельству французского исследователя Франсуа Бульера, способен развивать скорость до 110 километров в час, и это по пересеченной местности! Для таких животных, как тигр, леопард, не преграда двухметровый барьер, а для горных козлов — отвесные скалы и широкие пропасти.

Забавно то, что впервые «принцип ходьбы» был использован не для решения проблемы бездорожья, а как раз наоборот: в 1813 году англичанин Брайтон приделал к паровозу ноги, и машина медленно, словно пешеход, покатилась по дороге, отталкиваясь от нее двумя железными конечностями... Курьезны бывают порой пути развития техники.

А вот факт уже не из области курьезов: несмотря на очевидную выгоду ногоходного движителя, ни одну полноценную бегающую машину создать пока не удалось. Здесь, как ни странно, многие разработки сворачивают на путь создания не шагающих, а прыгающих машин. Тут масса проектов: вездеход типа «Кузнечик», вездеход типа «Блоха», типа «Лягушка», а недавно инженер В. Турик предложил проект прыгающего автомобиля, прототипом которого стал кенгуру.

Что ж, прогулочный прыжок кенгуру в среднем равен полутора метрам. Во время бегства одним скачком она покрывает девять метров (иногда больше: у серого кенгуру был отмечен прыжок в 13,5 метра!). И за ней угонится не всякий автомобиль. Кенгуру — прекрасный прототип, но...

Прыгать вместе с автомобилем, вероятно, не самое приятное занятие. Толчок — взлет — удар; толчок — взлет — удар; так все время! Конечно, чтобы спасти груз и саму машину от повреждений, а пассажиров от увечий, прыгоход можно снабдить мощными амортизаторами. Но от простоты машины-прыгуна тогда ничего не останется. А сложная, громоздкая система малонадежна. Поэтому прыгоход вряд ли решит проблему бездорожья. Вот для трамбовки грунта он, верно, может пригодиться...

Возникает вопрос: почему же так рьяно разрабатываются проекты малоперспективных прыгоходов? Почему двери патентных бюро не осаждают толпы изобретателей шагающих, бегающих машин?

Ответ удручающе прост: воспроизвести бег «в металле» очень и очень непросто. Очень!

Разработать конструкцию автомобиля-кенгуру оказалось по силам одному человеку. А вот для создания бегающей машины, теперь это уже ясно, нужны совместные и упорные усилия коллективов биологов, биоников, инженеров, математиков, физиков. И эти усилия, как дальше увидим, прилагаются. Мы уже многое знаем о механике ходьбы и бега, но проблемы еще столь огромны, что «...для шагоходов, — как заметил академик И. И. Артоболевский, — условия динамического равновесия вовсе не разработаны».

Вовсе не разработаны! Вот насколько сложна теория того, что мы делаем каждодневно, постоянно, — ходьбы и бега. Непросто даже решить: чьи ноги лучше всего годятся для копирования?

Казалось бы, что за проблема! Тут богатый выбор. Но именно потому, что выбор богат, сделать его трудно!

Судите сами.

Парад ног

Природа создала ноги самых разных «конструкций». Одни обеспечивают высокую скорость, другие высокую проходимость, и сочетаний здесь великое множество.

Начнем с самого начала: сколько у нашего наиболее универсального вездехода должно быть ног? В созданиях природы прослеживается определенная закономерность: чем выше организация живого существа, тем меньшим количеством ног оно располагает. «Венцу творения» — человеку природа дала две ноги, стопоходящим животным — четыре, насекомым шесть. Есть и исключения: у паука ног восемь, а у сороконожки их двадцать пар.

Что выбрать? Скопировать самих себя? Но элементарный жизненный опыт подсказывает, что высшее творение природы — человек на своих двух ногах далеко не столь быстроходен и устойчив, как его эволюционный предок, который передвигался на четырех.

Не успели мы справиться с этой проблемой, как возникает новая. Медведь и обезьяна передвигаются на больших плоских ступнях; собаки и кошки бегают на пальцах, пятка у них всегда поднята над землей; резвые газели, антилопы и лошади — на кончиках копыт. Чему здесь отдать предпочтение?

И в чем, собственно, главная трудность воспроизведения шага и бега? Ответ был получен сравнительно недавно, и он оказался парадоксальным: в совершенстве конечностей высокоорганизованных животных. Очень интересные исследования ведутся в Институте зоологии Академии наук УССР. Проанализировав с помощью современных методик работу ног собаки, козы и лошади, сотрудники института В. Коток, С. Манзий, В. Мороз установили примерно следующее. В движении ног высокоорганизованных животных можно выделить две основные программы работы суставов и мускулов. Осуществление первой обеспечивает собственно ходьбу и бег; осуществление второй — вставание на дыбы, удары конечностями, разгребание земли, почесывание и так далее. Степень сложности конструкции ног на семьдесят — восемьдесят процентов обеспечивается именно такими мелкомоторными функциями. А они совершенно не нужны механическим шагающим устройствам! Нет, следовательно, никакого смысла воспроизводить всю конструкцию; надо сосредоточить внимание на «устройствах», которые обеспечивают основную программу движения.

Иными словами, чтобы воссоздать ноги, их надо упростить. Если высшим животным необходимы семь звеньев конечностей, шесть суставов и сорок локомоторных мышц, то шагающий автомобиль вполне может обойтись трехзвенными ногами, двумя подвижными узлами-суставами, шестью — восемью, а не сороке видами движений.

После этого вывода не покажется удивительным тот интерес, который исследователи проявляют сейчас к обыкновенному пауку. Ведь он быстро бегает, хотя его ноги практически лишены мышц. Как же это ему удается? Зоологи Кембриджского университета (Англия) Парри и Браун предположили, что текущая в ногах паука кровь играет в них роль гидропривода. Опыты подтвердили гипотезу. Оказалось, что если паук вытягивает лапки, то давление крови повышается в них настолько, что отвердевают их щетинки. Наоборот, при сгибании давление уменьшается. Тут возникают огромные перепады! Паук замер, давление крови в его организме всего на 0,05 атмосферы выше давления окружающего воздуха. Прыжок — давление мгновенно подскакивает в десять раз! Как раз «искусственная гипертония» и служит тем источником энергии, который позволяет пауку ставить. «мировые рекорды» в прыжках. Ведь европейские пауки-прыгуны, например, берут высоту, которая в десятки раз превосходит размеры их тела!

Воспроизвести природную гидравлическую систему, которая обеспечивала бы ходьбу, бег и прыжок, для инженера привычней и проще, чем возиться с имитацией мускулов. Но пока биологи, увы, не знают самого главного: как же пауки добиваются мгновенного перепада кровяного давления, за счет чего оно автоматически регулируется в сосудах. Когда, однако, бионики раскроют этот секрет, а он, конечно будет раскрыт, у них окажется «патент» очень перспективной конструкции вездехода для геологических, географических и прочих полевых работ, где не так важна скорость, как маневренность и высокая проходимость. Длинные голенастые ноги «металлического паука» нигде не увязнут, легко одолеют самые крутые подъемы, болото перейдут по кочкам, а речку по бревнышкам. Еще одно важное качество такой машины — затраты на преодоление больших расстояний окажутся невелики.

Но вернемся к проблеме выбора оптимального числа ног. О разнообразии опор мы уже говорили. Но существует еще разнообразие походок. Лошадь, например, может передвигаться четырьмя основными способами (шаг, рысь, иноходь, галоп) и несколькими промежуточными. Еще более разнообразна походка насекомых. Оно может плестись, переставляя поочередно по одной ноге. При большой скорости в воздухе могут одновременно быть две ноги. Наконец, при беге насекомое одновременно переступает тремя ногами: двумя левыми и одной правой, затем одной левой и двумя правыми. Оно идет так, что его ноги всегда образуют опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести тела. Каждую такую комбинацию из трех ног можно сравнить с широкой, устойчивой ступней.

Иное дело неторопливая сороконожка. Чтобы не запутаться, она предпочитает волновую походку: начиная с задней по очереди поднимает и опускает все ноги. На эту процедуру уходит немало времени.

Итак, сколько у нашего вездехода должно быть ног? Какой конструкции? С каким типом опоры? Какой способ ходьбы и бега лучше?

Автомобиль уже ходит, но...

Две ноги у вездехода — это простота конструкции и управления. Но мы уже говорили, какой тут недостаток (представьте себе хотя бы, что в тот момент, когда на крутизне одна нога повисла в воздухе, привод второй вышел из строя...). Не то чтобы ученые совсем отказались от этого типа (коль скоро теория ходьбы разработана недостаточно, надо пробовать разные варианты). Но, как мы увидим дальше, чисто «двуногий вариант» не пользуется большой популярностью.

Тогда, может быть, выгодней другая крайность? Двадцать пар ног — гарантия того, что на самой, неровной местности машина уж как-нибудь найдет опору. Но заведомо ясно, что такой вездеход будет и громоздким, и сложным. Да и каково управлять сразу двадцатью парами ног?

Выходит, что перспективней всего системы из четырех, шести или восьми ног. Основоположником «четырехнога» был видный русский математик П. Л. Чебышев. Он первый построил модель «стопоходящей машины», которая демонстрировалась на Всемирной парижской выставке в 1878 году. Но дальнейшего развития эти работы не получили. Лишь девяносто лет спустя на испытательном стенде завода фирмы «Дженерал электрик» появился образец четырехногой машины, которую стали называть «механической лошадью» или «шагающим грузовиком». Этот гигант высотой в три метра и с просторным кузовом весил около полутора тонн. Шоферу приходилось одновременно, управляться с двенадцатью системами, которые обеспечивали ходьбу и движение. Оказалось, что это в пределах возможностей человека. Повинуясь оператору, машина шла вперед и назад, разворачивалась, балансировала на двух ногах, легко перешагивала через препятствия, тащила на себе полутонные тяжести, поднимала одной передней ногой груз весом в двести килограммов и укладывала его на платформу грузовика. «Механическая лошадь» могла перейти через реку, внести пианино через окно на второй этаж, вытащить небольшой автомобиль из кювета.

И все-таки четырехногий аппарат при всех его достоинствах оказался не лучшим решением «бездорожной» проблемы. Управление им оказалось сложным, двигался он очень медленно, езда в нем утомляла.

Была опробована и восьминогая система. Казалось бы, управлять четырьмя ногами проще, чем восемью. Но инженерная мысль смогла эту трудность обойти (мне не хотелось бы залезать в технические тонкости; я прошу лишь вспомнить, к чему сводится бег насекомых — к своего рода «блоковому» перемещению конечностей). Восьминогая машина намечалась для передвижения по Луне, но американские космонавты ею не воспользовались. Однако на Земле она нашла неожиданное применение, став креслом для детей-калек. Такое восьминогое, приводимое в движение батарейным электромотором кресло способно передвигаться даже по грязи и по песку. Оно может подниматься и спускаться по лестнице. Управление им доступно ребенку. Единственный недостаток несостоявшегося «лунопроходца» — его малая скорость (2,5 километра в час).

Всякий раз творческая мысль оказывается в «паутине противоречий». С одной стороны, требование простоты; с другой — требование высокой маневренности и проходимости, что немыслимо без разнообразия движения ног, а это усложняет управление. С третьей стороны, требование скорости... А еще экономичности. И надежности. Выигрыш в одном, как правило, оборачивается проигрышем в другом. Поэтому шагоходы и есть, но в то же время их еще нет...

Впрочем, положение не так плохо, как кажется.

«Богомол» для Марса

Уже на примере «восьминога» заметна нацеленность разработок на создание не только земного, но и всепланетного вездехода. Действительно, космос здесь выступает в роли ускорителя. На Земле мы худо-бедно пока можем обойтись без универсальных, принципиально новых вездеходов. И на Луне пока тоже. Но вот первая самоходная тележка опустится на Марс. И что тогда? Ведь на Марсе, кроме гор, есть и песчаные равнины. Колесный транспорт здесь уже не годится...

Сроки, как видим, нас уже поджимают, дело нельзя откладывать на начало XXI века. Новый универсальный вездеход должен появиться в нашем веке — не просто земной, а так сказать, всепланетный.

И, между прочим, в инопланетном варианте он должен быть роботом.

Луноход управлялся с Земли. Но если «цикл связи» между Землей и Луной длится 2,6—3 секунды, то для Марса прохождение команды только в один конец составит примерно двенадцать минут. «Представьте себе, — пишет американский специалист в области электроники А. Коут, — следующую картину. Ученый, находящийся на Земле, следит за телевизионным экраном. Телекамера установлена на машине, ползущей по поверхности Марса. Изображение на экране показывает, что «электромеханический идиот» вот-вот сорвется со скалы. На самом деле он не вот-вот рухнет. Он уже рухнул двенадцать минут назад».

Чтобы этого не произошло, нет нужды доказывать, что будущие планетоходы должны значительно отличаться не только от земных «шагоходов», но и от луноходов. Это должны быть бионические системы в самом прямом и широком смысле этого слова. Планетоход должен стать самостоятельным квазиживым организмом. Роботом.

В лаборатории Института проблем передачи информации АН СССР, руководимой В. С. Гурфинкелем, можно увидеть машину, похожую на ту, которую встретил на Марсе герой одного из рассказов американского фантаста Рэя Бредбери: «С гор спускалось нечто удивительное. Это была машина, с виду — желто-зеленое насекомое, богомол, который плавно рассекал холодный воздух, весь в мерцающих бриллиантах, с многофасетными глазами переливающихся красных рубинов. Шесть ног «богомола» ступали по древнему шоссе тихо, как моросящий дождь...»

Нам неизвестно, чем руководствовался фантаст, снабжая свой марсоход шестью ногами, но именно такую конструкцию избрали и советские конструкторы шагающего планетохода. Почему?

Шесть ног, как показал опыт, — минимальное число конечностей, которое дает возможность шагающему аппарату с автономным управлением идти медленно или быстро, не раскачиваясь из стороны в сторону, как это приходится делать двуногим и четвероногим механизмам. Шестинога можно заставить идти различными походками, например, галопом. И еще. Две из шести ног всегда можно превратить в манипуляторы, а остальные позволят, хотя и медленно, перемещаться с места на место. Видите, как много дает планетоходу по сравнению с уже упомянутым «шагающим грузовиком» лишняя пара конечностей! С другой стороны, восемь ног представляются уже некоторым излишеством, которое, в частности, замедляет темп перемещения.

Это, конечно, не значит, что все остальные конструкции, преданы забвению. В Институте проблем управления АН СССР под руководством профессора П. Г. Катыса создан двухопорный аппарат, а также аппарат «перевертыш», в котором использованы и колеса и шагающее устройство. В Институте механики МГУ коллектив, возглавляемый доктором физико-математических наук Е. А. Девяниным, разработал макет шагающего аппарата, который представляет собой двухколесную тележку, снабженную еще и двумя ногами. Третий «гибрид» возник все в том же Институте проблем передачи информации; эта тележка на четырех колесах, перемещение которой осуществляется с помощью двух искусственных конечностей.

Но если говорить о чисто бионических моделях, то здесь шестиног, очевидно, наиболее перспективен. На четвертой Всесоюзной конференции по бионике сотрудники Института прикладной математики АН СССР демонстрировали шестиногого робота, работу которого я описал в самом начале статьи. Самым поразительным было то, что он являлся «призраком», или, выражаясь языком науки, математической моделью, рожденной в недрах компьютера и «овеществленной» на экране специального устройства — дисплея. Такое моделирование позволяет быстро и наглядно оценить замысел, гибко скорректировать расчеты, «на ходу» внести поправки. Для шестиногого вездехода заранее составляется, скажем, программа преодоления «ямы», «камня», «уступа». Дисплей воспроизводит, как эта программа осуществляется в натуре, что происходит при этом с теми или иными «ногами», насколько устойчиво «тело» робота. Раз за разом программа корректируется. «Призрачного» робота гоняют по «призрачным» препятствиям, тем самым отрабатывая и его конструкцию, и способ передвижения. И, надо сказать, математический, движущийся по экрану робот уже хорошо преодолевает самые разные препятствия.

Представим теперь, что «математический призрак» обрел «металлическую плоть», что, кстати, и является конечной целью работы. Вот ракета доставила его на Марс. По команде с Земли робот-шестиног покинул космическую станцию и двинулся в путь...

Первоначально он будет наблюдателем окружающего пейзажа. Затем, когда ученые определят наиболее интересные объекты, ему будет отдана команда исследовать их поближе. Дорогу «мозг» робота выберет сам.

День за днем на экране Центра управления марсоходом станут сменяться пейзажи «красной планеты». Ученые, не покидая Земли, будут разведывать чужой мир, время от времени задавая марсоходу новую цель. Все остальное он будет делать автономно: преодолевать препятствия, выбирать дорогу, делать замеры, вести съемку, искать признаки жизни. Все это в пределах возможности бионической квазиживой и квазиразумной системы недалекого будущего. На Марсе очутится аппарат-разведчик, но в этом первопроходце воплотятся черты земных животных, в нем будет искра человеческого разума. Это будет сразу и продукт техносферы, и продукт биосферы, и, само собой, продукт сферы человеческого разума — ноосферы.

Таким из сегодняшнего дня видится грядущее транспорта других планет. То грядущее, к которому сейчас сделаны первые шаги, но которое, по всей видимости, станет реальностью еще в нашем веке. Не исключено, что через десяток-другой лет «марсоходы», «венероходы» станут для нас столь же привычными, как сегодняшний луноход.

Но это будет уже качественно иная техника...

А ближайшие родственники планетоходов побегут по Земле с тем же пренебрежением к бездорожью, какое свойственно их прототипам — животным. Где надо, их поведет компьютер, где надо, человек, наконец получивший для перемещения нечто лучшее, чем колеса и гусеницы.

Изот Литинецкий, кандидат технических наук

Рубрика: Без рубрики
Просмотров: 8404