Создан полностью резиновый компьютер для полноценного управления мягкими роботами

Робот принимает решение о нырке и выныривании, пользуясь пневматическим компьютером.

Иллюстрация NASA/JPL/Univ. Arizona/UChicago.

Робот полностью, включая вычислительную схему, изготовлен из мягких материалов.

Иллюстрация NASA/JPL/Univ. Arizona/UChicago.

Инженеры из Гарвардского университета создали компьютер, состоящий из резины, вычисления в котором выполняются при помощи потоков воздуха. Столь экзотическим "мозгом" они предлагают оснащать мягких роботов.

Расскажем о том, как возможно этакое чудо.

Широко известно, что компьютеры представляют любую информацию в виде комбинаций нулей и единиц. Вычисления в ЭВМ реализуют так называемые логические элементы. Чтобы собрать компьютер, способный выполнить любую программу, достаточно элементов трёх типов: И, ИЛИ и НЕ.

Элемент НЕ имеет один вход и один выход. Получив на вход 0, он выдаёт 1, и наоборот. Таким образом, значение на выходе всегда не такое, как на входе, чем и объясняется его название.

Элемент ИЛИ имеет два вход и один выход. Он выдаёт 1, если хотя бы на один из входов была подана единица, и 0 в противном случае. Таким образом, на выходе будет 1, если 1 был на первом или на втором входе.

Наконец, элемент И также имеет два входа и один выход. Он выдаёт 1, если на оба входа была подана единица, и 0 в противном случае. Таким образом, на выходе будет 1, если 1 был на первом и на втором входе.

Вот эти-то три универсальных "кирпичика" и реализовали исследователи с помощью резины и воздушных потоков. Например, элемент НЕ создаёт высокое давление воздуха, получив на вход низкое, и обратно.

"Мы эмулируем "мыслительный процесс" электронного компьютера, используя только мягкие материалы и пневматические сигналы, заменяя электронику сжатым воздухом", – говорит Дэниэл Престон (Daniel Preston), первый автор статьи, принятой в журнал PNAS.

Из таких логических элементов исследователи собрали "мозг" для мягкого робота-ныряльщика. Источником энергии для него служит запас воздуха, находящегося под давлением в миниатюрном воздушном шаре. Предоставленный сам себе, робот постоянно ныряет и выныривает. Низкое давление на поверхности служит для него командой к погружению, а высокое давление на дне сосуда с водой – сигналом к всплытию. Кроме того, он может погрузиться или всплыть по команде оператора.

Робот полностью, включая вычислительную схему, изготовлен из мягких материалов.
Робот полностью, включая вычислительную схему, изготовлен из мягких материалов.
Иллюстрация D.J. Preston, P. Rothemund, H.J. Jiang, M.P. Nemitz, J. Rawson, Z. Suo, G.M. Whitesides/перевод Вести.Наука.

К слову, эта разработка – не первая, в которой электронные вычисления заменены пневматическими. Например, имеются системы, где вычисления производятся потоками жидкости. Однако новинка имеет ряд преимуществ.

Во-первых, она отличается от своих аналогов быстродействием. Этому способствуют широкие каналы для подачи воздуха (около миллиметра в диаметре). Во-вторых, устройство не требует нагнетания воздуха в состоянии покоя. Это серьёзно повышает автономность робота.

Разумеется, подобная модель предназначена только для демонстрации работоспособности концепции. В будущем, как надеются инженеры, появятся роботы без электронных частей, способные на более сложные операции.

Такие роботы будут безопаснее, если будут работать на производстве (ведь они полностью мягкие). Кроме того, они легки, устойчивы к коррозии и могут быть дешевле своих "жёстких" аналогов.

Кроме того, подобный робот в воздухе может быть невидим для металлоискателей и радаров, а в воде – для гидролокаторов. Такая перспектива может весьма заинтересовать военных.

"Это просто вопрос выбора правильных материалов", – отмечает Престон.

Однако вряд ли подобные разработки полностью заменят электронных роботов. В современных процессорах порядка миллиарда логических элементов, что и позволяет компьютерам быстро решать сложные задачи. Особенно требовательны к вычислительной мощности системы искусственного интеллекта, способные к самообучению. А без них никак не обойтись роботу, выполняющему действия, напоминающие человеческие.

Понятно, что когда размер логического элемента измеряется миллиметрами, а не нанометрами, робот приемлемых размеров сможет иметь лишь очень примитивный "мозг". Кроме того, электронные схемы работают гораздо быстрее и имеют больший КПД.

Вероятно, до тех пока инженеры не научатся уменьшать резиновые логические элементы до микроскопических размеров, стандартом в индустрии мягких роботов останутся системы с мягкими "телами" и обычной электронной начинкой, спрятанной глубоко внутри них.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о новых гибких системах, способных бережно поймать и отпустить живую рыбу, помочь с бытовыми заботами и "взять под опеку" сердце во время хирургической операции.

Напомним также, что мы рассказывали о других нестандартных подходах к вычислениям, например, о нейронной сети на основе света и процессоре на основе ДНК.