Насекомоподобный робот

Передвижение роботов часто вдохновлено физиологией насекомых. Обычно такие роботы представляют собой гексаподы. Исследования в этой области стали междисциплинарными: помимо инженеров-робототехников, активное участие принимают и биологи, особенно нейробиологи. Инженеры, изучая насекомых, на которых они основывают свои модели, получают лучшее понимание принципов их функционирования. В свою очередь биологи могут проверять на роботах свои теории моторного управления у насекомых^[2].

Построить робота, способного ходить по ровной поверхности в лабораторных условиях — задача сравнительно простая: гексапод с механически соединёнными простыми штифтами вместо ног с ней справится. Колёсный робот ещё проще, но зачастую не справляется с гораздо более сложной задачей преодоления пересечённой местности с непредсказуемыми препятствиями. Для этого необходимы ноги с сочленёнными суставами, как у настоящих насекомых, и сенсомоторное управление, аналогичное нейрофизиологии насекомых. Простого ритмичного движения всех ног недостаточно: суставы и ноги должны управляться как по отдельности, так и в сочетании — на основании информации от датчиков положения конечностей и нагруженности^[3].

Аллюр насекомых меняется в зависимости от желаемой скорости. Исследования показали, что эти шаблоны движений могут формироваться локально даже без связи с центральной нервной системой^[4]. У части насекомых (например, таракана) при беге аллюр меняется, поскольку нервная система не способна реагировать достаточно быстро. При быстром беге таракан толкается сразу всеми тремя ногами с одной стороны, а характерная боковая раскачка животного соответствует его биомеханической резонансной частоте, определяемой массой насекомого и жёсткостью его ног. Такой режим не требует внешнего управления, при этом оставаясь эффективным и устойчивым^[5]. Исследователи осознают преимущества реальных насекомых, однако по состоянию на 2004 год «все эти черты лишь изредка объединялись в одном роботе»^[6].

Для очень малых летательных аппаратов полет с неподвижным крылом уже становится непрактичен из-за быстрого падения отношения подъёмной силы к сопротивлению с уменьшением размера. Полёт насекомых всегда орнитоптерный, что подсказывает возможный подход к реализации таких роботов. Например, Ма и соавт. создали привязного робота-муху с машущими крыльями из пьезоматериала. Они выбрали модель насекомого-мухи, потому что, по их словам, это самое манёвренное существо на Земле, и, следовательно, наиболее сложное для имитации^[7].

У насекомых есть крайне ограниченные ресурсы для интеллекта в человеческом понимании — с точки зрения вычислительной мощности мозга. Число нейронов у насекомых колеблется в зависимости от вида: от миллиона до всего нескольких десятков тысяч^[8]. Для сравнения, у человека их около 86 миллиардов^[9]. Кроме того, крупный мозг очень энергозатратен. Поэтому насекомые используют иные способы организации поведения: «встраивают» интеллект в аппарат тела, применяют локальные сенсомоторные связи, а также роевой интеллект. Предполагалось, что у роботов отпадёт потребность в таких уловках благодаря быстрому росту производительности и уменьшению размера компьютеров по закону Мура. Однако этот процесс, судя по всему, приближается к пределу, и решения, почерпнутые у насекомых, становятся всё более актуальными^[10].

Уже упоминались локальные ритмы ходьбы у тараканов без участия центральной нервной системы. В роботах-подражателях насекомых в полёте значительный прорыв произошёл после применения аналогичных принципов к управлению крыльями. Попытки управлять углом атаки крыльев с помощью центрального процессора не позволяли добиться отношения подъёмной силы к весу больше единицы. Исключение процессора и предоставление крыльям возможности пассивно поворачиваться с собственной частотой механической системы позволило впервые осуществить контролируемый инсектоидный полёт^[11] — в 2008 году с роботом, имитирующим муху. Важно, что робот питался снаружи через кабель, а не был полностью автономным^[12].

Рой роботов способен решать задачи, недоступные одному роботу с ограниченными вычислительными возможностями. Особенно перспективны такие методы для исследовательских задач. Роевые роботы могут искать кратчайшие маршруты, применяться для поиска источников газа в опасных зонах; также есть предложения по использованию самособирающихся роботов для преодоления препятствий, по аналогии с поведением муравьёв^[13].

У летающих насекомых слабое визуальное разрешение, крайне ограниченная задержка реакции и практически нет мощных вычислительных ресурсов. Летающие инсектоидные роботы сталкиваются с аналогичными ограничениями по массе и габаритам. В 2003 году Франческини и соавт. исследовали возможность использования решений, почерпнутых у насекомых, для навигации роботов. Франческини построил экспериментального робота на основе нейрофизиологии мухи. При этом сам робот был не летающим, а колесным транспортным средством^[14]. Целью эксперимента было показать, что простое сенсомоторное управление на основе детекции движения в поле зрения позволяет проходить маршрут^[15].

Подобные разработки ведутся с 1986 года, однако инженеры робототехники сначала не проявляли к ним интереса, поскольку считали: у насекомых отсутствует зрительная кора, а значит, они не могут проводить развитый анализ изображений, необходимый для навигации. Франческини утверждал, что наличие зрительной коры вовсе не обязательно для решения навигационных задач — и напротив, избыточный мозг только бы мешал (добавление веса, усложнение обработки). Он указывал, что и у человека далеко не вся обработка зрительной информации проходит через зрительную кору. Необязательно формировать образы и идентифицировать объекты^[16].