От хобота — до робота!
Хобот слона — настоящее чудо природы: с его помощью эти гигантские животные способны совершать удивительные вещи. Хобот, просто большой нос, послужил швейцарским биологам и итальянским инженерам моделью для инновационного проекта по созданию гибкой роботизированной руки-манипулятора.
Русскоязычная версия и научная редакция: Игорь Петров.
Эта новость попала в заголовки газет в августе 2021 года: ученые Женевского университета объявили, что им удалось «расшифровать» логику и механику движений, которые слоны совершают своими хоботами. Полученные результаты планируется-де использовать для наделения будущих роботизированных систем качественно новыми способностями. Публика была в восторге, но как вообще ученым пришла в голову эта идея — обратить внимание на слонов и их хоботы?
«Мы давно знали, что слоны обладают некоторыми анатомическими особенностями», — рассказал сайту SWI swissinfo.ch руководитель рабочей группы ученых Мишель Милинкович (Michel Milinkovitch), эволюционный биолог и биофизик, профессор Кафедры генетики и биотехнологий Женевского университета (Laboratory of Artificial & Natural Evolution — LANEВнешняя ссылка).
«В 2018 году мы уже изучали кожуВнешняя ссылка этих животных. У неё есть своеобразная сеть каналов, которая особенно хорошо регулирует температуру тела». По итогам проекта ученые опубликовали статью, которая обратила на себя внимание таких крупных СМИ, как National Geographic и BBC. Интерес эта статья пробудила и у группы ученых из Италии.
Речь шла конкретно об Итальянском технологическом институте (Istituto Italiano di Tecnologia) в городе Понтедера (Pontedera), что недалеко от Пизы. Ученые этого института тоже уже интересовались слонами, но не их кожей, а как раз хоботом. Они давно планировали проект создания роботизированной руки-манипулятора, функционирующей по образу и подобию слоновьего хобота, но, прежде чем подавать заявку на финансирование в рамках программы Европейской комиссии Horizon 2020, итальянские ученые связались с Мишелем Милинковичем.
«Это произошло очень вовремя», — вспоминает Мишель Милинкович. «У меня как раз была возможность пообщаться со слонами в Южной Африке, которые уже привыкли к людям. Кроме того, мы давно уже поддерживали контакты с зоопарками, которые время от времени предоставляли нам органы умерших слонов». В итоге на поддержку этого швейцарско-итальянского научного проекта Еврокомиссия выделила целых 3,5 миллиона евро.
Голливудские технологии и слоны
Не задерживаясь, команда Ф. Милинковича направилась в Преторию, имея в своем багаже технические устройства, которые до недавнего времени были известны только в связи с такими голливудским хитами как «Аватар» Дж. Камерона или «Приключения Тинтина: Тайна „Единорога“» Стивена Спилберга. Речь идет о технике под названием «захват движения» (Motion capture) — метод фиксации персонажей и объектов, при котором анимация создаётся не вручную, а путём оцифровки («копирования») движений реального объекта и последующего их, движений, переноса на трёхмерную компьютерную модель.
И коль скоро речь зашла о роботах: это видео было снято в 2019 году в Университете Санкт-Галлена. На одно из занятий преподавательница взяла помощника, который продемонстрировал свой искусственный интеллект.
Точнее, речь шла о «маркерной системе», когда на копируемую физическую модель наносятся датчики, модель производит движения, информация датчиков фиксируется и переносится потом в компьютер. Для регистрации данных использовались специальные камеры, с той только разницей, что на сей раз это был не Энди Серкис (Andy Serkis), превращенный в Голлума, а слоны, которые, кстати, не имели ничего общего с пресловутой «посудной лавкой» и движения которых и были преобразованы затем в 3D-модели.
Оказалось, что слоны способны выполнять хоботом базовый набор из почти 20 основных типов движений — начиная от скручивания, сгибания, растягивания и заканчивая превращением в прочный «несгибаемый» предмет наподобие арматурного прута. Слоны могут осуществлять, например, захват таких «нежных» предметов, как цветы, и перемещать их, не доводя до деформации, они могут поднимать предметы весом до 300 килограммов, всасывать большие объемы жидкости и осуществлять их «выплевывание» под давлением.
И все это работает без задействования костей или иных жестких конструкционных элементов. Ввернувшись в Швейцарию, ученые также, используя магнитно-резонансную томографию, проанализировали хоботы двух умерших слонов из зоопарка. С помощью этих результатов и на основе информации, полученной по итогам поездки в ЮАР, они создали динамическую компьютерную 3D-модель движения слоновьего хобота. Результаты проекта были опубликованы в августе 2021 года в научном рецензируемом журнале Current Biology.
Красивый проект!
Увлекшись слонами, Мишель Милинкович немного ушел в сторону от своей основной специализации в области биологии. Список его научных публикаций весьма разнообразен: среди прочего, он работал над так называемыми фотонными кристаллами, используемыми хамелеонами для того, чтобы менять свой окрас, а также над проблемой генетической эволюции китов. А еще в центре его интересов находятся гигантские галапагосские черепахи. Он был и остается убежденным сторонником междисциплинарных исследований.
Показать больше
Пандемия подталкивает развитие робототехники
По его мнению, «науки сегодня слишком уж специализированы. Вы обязаны выбрать только какую-то одну дисциплину — и всё, притом что границы тут часто носят откровенно искусственный характер. Да и природа сама тоже особенно на эти границы внимания не обращает. А сейчас ученые часто просто не знают, что собственно происходит за пределами их башни… из слоновой кости. Когда я пишу на доске алгебраическое уравнение, то мои студенты начинают нервничать, потому что они ведь пришли не на лекцию по математике. Но тем самым я всего лишь хочу показать им, что такое уравнение часто является самым простым способом описать то или иное явление. Конечно, роботы, напоминающие слоновьи хоботы, отличаются от всего того, чем мы занимаемся обычно. Но я просто не мог отказаться от этого проекта. Это слишком красивая инженерная задача!»
Самолёты летают, а крыльями не машут
В рамках решения которой «теперь начинается самое интересное: этап реверс-инжиниринга или «обратного проектирования», — говорит Мишель Милинкович. Уточним, что reverse engineering — это попытка понять принципы работы некоторого уже готового устройства с целью обнаружить ранее недокументированные возможности и воспроизвести потом это устройство без прямого копирования на новой технической основе. «Мы описали и количественно оценили зафиксированные движения, и теперь инженеры пытаются воспроизвести их, используя в качестве образца. Например, мы знаем, что у самолётов крылья имеют такую же форму, что и крылья птицы, но в отличие от птиц, самолёты летают, а крыльями не машут, потому что их крылья работают иначе, чем крылья птиц», — говорит Мишель Милинкович.
«Точно так же и в данном случае: просто создав искусственный хобот и снабдив его маленькими служебными движками, мы ничего не получим, воспроизвести двадцать основных типов движений слона мы не сможем. Но, может быть, нам будет достаточно пяти или десяти? Идея состоит в том, чтобы создать гибкую роботизированную руку-манипулятор, способную доставать, захватывать, перемещать различные типы объектов и совершать с ними разные манипуляции. Возможности применения такого устройства разнообразны: от робота, сортирующего предметы на складе вплоть до помощника спасателей в зонах стихийных бедствий». Для М. Милинковича и его команды работа далеко еще не закончена.
Показать больше
Робот-почтальон из будущего уже в Швейцарии
Ученым еще предстоит смоделировать определенные последовательности движений, а когда первый прототип такого робота-манипулятора будет готов, необходимо будет сравнить машину с живым прототипом и соответствующим образом запрограммировать ее. «Мы знаем, что в робототехнике огромное значение имеют контактные поверхности. Вопрос в том, как сделать искусственную руку достаточно мягкой, с тем чтобы она могла сорвать цветок, не превратив его в лепешку». В этом смысле может быть очень полезен опыт, полученный в ходе изучения слоновьей кожи. «Примерно через 18 месяцев у нас будет первый прототип», — прогнозирует профессор М. Милинкович. По его словам, несколько компаний уже проявили интерес к результатам его работы.
В соответствии со стандартами JTI
Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch
Обзор текущих дебатов с нашими журналистами можно найти здесь. Пожалуйста, присоединяйтесь к нам!
Если вы хотите начать разговор на тему, поднятую в этой статье, или хотите сообщить о фактических ошибках, напишите нам по адресу russian@swissinfo.ch.