Роботы BEAM

Основные принципы BEAM основаны на машинной реализации реакции на стимулы. Базовый механизм был разработан Марком Тилденом, где электронная схема (или NV-сеть из NV-нейронов) имитирует поведение биологических нейронов. Схожие исследования ранее проводил Эд Ритман в книге «Experiments In Artificial Neural Networks». Схема Тилдена часто сравнивается с регистр-сдвигом, но обладает некоторыми особенностями, делающими её особенно полезной в мобильной робототехнике.

Другие принципы, которые принято реализовывать в BEAM-роботах:

1. Использовать минимальное возможное количество электронных компонентов (принцип «ничего лишнего»)
2. Перерабатывать и использовать повторно электронные отходы (technoscrap)
3. Применять излучаемую энергию (например, солнечная энергия)

Существует множество моделей BEAM-роботов, использующих энергию от небольших солнечных панелей, питающих так называемые «солнечные двигатели», что позволяет создавать автономных роботов для работы в широком диапазоне освещённости. Помимо схем «Nervous Network» Тилдена, движение BEAM принесло множество полезных схем и решений: «солнечный двигатель», многочисленные H-мостовые схемы для управления малыми моторами, конструкции тактильных датчиков и мезомасштабные (размером с ладонь) методы сборки роботов. Все эти наработки документируются и распространяются сообщества BEAM^[3].

Поскольку BEAM-роботы ориентированы на реакционные («stimulus-response») модели поведения (как и в трудах Родни Брукса), данное направление стремится имитировать свойства и повадки живых организмов, с конечной целью — «одомашнивания» этих роботов. Эстетика роботов BEAM исходит из принципа «форма следует функции», видоизменяясь в зависимости от проектных решений разработчика.

Существует множество версий того, что означает BEAM. Наиболее распространённое толкование: англ. Biology, Electronics, Aesthetics, Mechanics — биология, электроника, эстетика, механика.

Термин был введён Марком Тилденом в 1990 году на обсуждении в Научном центре Онтарио, где он демонстрировал серию своих первых роботов, созданных в Ватерлоо (Канада).

Однако существуют и другие, менее популярные вариации, например:

• англ. Biotechnology Ethology Analogy Morphology
• англ. Building Evolution Anarchy Modularity

В отличие от большинства других роботов, управляемых микроконтроллерами, BEAM-роботы строятся по принципу прямой связи простейших моделей поведения с датчиками, почти без дополнительной обработки сигнала. Эта философия детально изложена в книге Валентино Брайтенберга «Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology»^[4]. Книга, через серию мысленных экспериментов, раскрывает идею возникновения сложного поведения роботов из простых индуктивных и возбуждающих связей между сенсорами и актуаторами. Традиционно в «чистых» BEAM-роботах микроконтроллеры и программирование не применяются, так как логика полностью аппаратная.

Тем не менее, существуют успешные гибридные конструкции, сочетающие оба подхода. «Гибриды» позволяют добиваться большей устойчивости при добавлении программируемых возможностей, например, по «топологии всадника и лошади» (англ. horse-and-rider topology), где «лошадь» управляется привычной схемотехникой BEAM, а микроконтроллер-«всадник» способен задавать цели системе.

Среди BEAM-роботов встречаются различные группы с окончанием «-троп», в зависимости от того, на какой стимул они реагируют. Самыми распространёнными являются фототропы — устройства, ищущие свет, что актуально для роботов на солнечных батареях.

• Аудиотропы реагируют на звук.
  • Аудиофилы движутся к источнику звука.
  • Аудиофобы удаляются от звука.
• Фототропы («искатель света») реагируют на источники света.
  • Фотофилы или фотоворы приближаются к свету.
  • Фотофобы избегают света.
• Радиотропы реагируют на радиочастотные воздействия.
  • Радиофилы ищут источники радиочастоты.
  • Радиофобы покидают зоны с радиочастотами.
• Термотропы реагируют на тепло.
  • Термофилы тянутся к источнику тепла.
  • Термофобы уходят от него.

BEAM-роботы обладают разными способами движения и позиционирования. Приняты такие типы:

• Ситтеры (англ. Sitters): Неподвижные роботы с пассивными функциями^[5].
  • Маяки: Передают сигнал (например, для навигации другим BEAM-роботам).
  • Паммеры: Показывают световые и звуковые паттерны, как правило, действуют ночью на запасённой солнечной энергии^[6].
  • Орнаменты: Прочие статичные роботы, часто как часть электронного искусства^[7].
• Сквирмеры (англ. Squirmers): Стоящие на месте роботы, приводящие в действие конечности или иные элементы^[8].
  • Магботы: Используют магнитные поля для анимации.
  • Флагвэйверы: Двигают дисплеем или «флагом» с заданной частотой.
  • Головастики: Поворачивают голову, следя за, например, источником света^[9].
  • Вибраторам: Имитация движения за счёт неплотно закреплённого веса.
• Слайдеры (англ. Sliders): Двигаются скольжением частей корпуса по поверхности.
  • Змеи: Используют горизонтальные волны движения.
  • Дождевые черви: Двигаются продольными волнами.
• Кроулеры: Передвигаются по поверхности, используя гусеницы, «перекатываются» или другими способами, без трения корпуса.
  • Турботы: Перекатывают свой корпус с помощью «рук» или жгутиков.
  • Червячки: Продвигают вперёд отдельную часть корпуса.
  • Гусеничные: Движение аналогично танкам.
• Джамперы (англ. Jumpers): Перемещаются с помощью прыжков.
  • Виброботы: Перемещаются с помощью кратковременных вибраций.
  • Спрингботы: Передвигаются в результате упругого «подпрыгивания».
• Роллеры (англ. Rollers): Перемещаются путём перекатывания собственного тела или его части.
  • Сайметы: Работают на одном моторе, используют симметричные опорные точки.
  • Соларроллеры: Машины на солнечных батареях, использующие один или несколько моторов и колёс.
  • Попперы: Используют два мотора с раздельными солнечными двигателями; направление зависит от разницы показаний датчиков.
  • Миниболы: Смещают центр массы, чтобы перекатывать шарообразный корпус.
• Уокеры (англ. Walkers): Используют ноги с раздельным контактом с землёй. Обычно применяют NV-сети и не программируются — реагируют на рельеф по изменению сопротивлений двигателей.
  • Мотор-приводимые: Ноги приводятся в движение моторами (3 и менее мотора).
  • Мускульно-нитиноловые: Используют нитинол (никелево-титановый сплав) как привод.
• Свиммеры (англ. Swimmers, также акваботы или акваворы): Перемещаются по поверхности и/или под водой^[10].
  • Боатботы: Движение по поверхности.
  • Сабботы: Движение под водой.
• Флаеры (англ. Fliers): Летающие роботы.
  • Вертолёты: Используют роторы для подъёма и тяги.
  • Самолёты: С неподвижными или махающими крыльями.
  • Дирижабли: Используют оболочку с нейтральной плавучестью.
• Клаймеры (англ. Climbers): Двигаются по вертикальной поверхности, например, по верёвке или проводу.

Коммерческое применение автономных роботов на принципах BEAM остаётся ограниченным, за редкими исключениями, как, например, ранние модели роботов-пылесосов, таких как iRobot Roomba. Основное практическое значение BEAM-схем сохранилось в области быстрого прототипирования систем движения, а также в образовании и как хобби^[11]. Марк Тилден успешно применил BEAM для прототипирования продуктов фирмы Wow-Wee, выпускающей B.I.O.Bug и RoboRaptor.

Несмотря на сохранение образовательной ценности, после 2010-х годов активность традиционного сообщества BEAM-робототехники заметно снизилась, а фокус в любительской робототехнике сместился в сторону микроконтроллеров и искусственного интеллекта^[12]. Тем не менее, наборы для сборки BEAM-роботов по-прежнему доступны: компания Solarbotics Ltd. продолжает распространять свою продукцию через дистрибьюторов^[13][14]. Другие известные в прошлом поставщики, такие как JCM InVentures Inc. и PagerMotors.com, предположительно, прекратили свою деятельность^[15]. Роботы Hexbug от компании Vex, изначально созданные под влиянием BEAM, со временем отошли от его принципов. Современные модели позиционируются как коммерческие STEM-игрушки, часто включающие программирование, что противоречит беспроцессорной философии BEAM^[16].

У BEAM-робототехников часто возникают трудности с управлением «чистыми» схемами — отсутствует привычный прямой контроль. Поэтому ведутся исследования биоморфных подходов, копирующих природу для достижения эффективности, сравнимой с живыми системами, чьи миниатюрные мозги зачастую дают пример высокой продуктивности при минимуме ресурсов.

Другим барьером остаётся вариабельность «нервных сетей» BEAM — такие системы диагностируются и настраиваются иначе, чем традиционная электроника. Группа международных исследователей из Institute of Neuromorphic Engineering (INE) продолжает ежегодно собираться на семинаре в Теллурайде (Колорадо) для проработки этих вопросов^[17][18]; первоначально в работе участвовал и Марк Тилден, но позднее ушёл из-за контракта с Wow-Wee.

У большинства BEAM-роботов нет долговременной памяти, поэтому обучение на своём опыте им недоступно. Однако в рамках сообщества ведётся работа по внедрению элементарной памяти. Одним из наиболее продвинутых решений стал робот Hider, разработанный Брюсом Робинсоном^[19], обладающий впечатляющими для схем без процессора возможностями.

В современной технологической среде название «Beam» может вызывать путаницу, так как его используют компании, не имеющие отношения к классической BEAM-робототехнике, основанной на аналоговых схемах. Важно различать следующие омонимичные проекты:

• Beam Robotics — компания, образовавшаяся в результате слияния Rovco и Vaarst. Она занималась разработкой подводных роботов с искусственным интеллектом для обслуживания морских ветряных электростанций^[20]. Прекратила свою деятельность в начале 2025 года^[21].
• Beam Global — компания, которая специализируется на технологиях для зарядки электромобилей и решениях в области солнечной энергетики^[22].