Перебирая четырьмя механическими лапами, существо, похожее одновременно на паука и на собаку, поскальзывается на льду, но не теряет равновесия и продолжает с жужжанием бежать дальше. Когда-нибудь из этого нелепого устройства вырастет вполне боевой робот, которому будут по плечу (или, может быть, по рычагу?) и пустыни Аравии, и сопки Маньчжурии, и горы Тибета. Там, где не проедут танки, пройдут шагающие роботы.
Недоступная суша
Колесо — величайшее достижение человеческого разума: достаточно сравнить подвижность человека на велосипеде с пешеходом. Однако за скорость и экономичность приходится платить. Для колёсных и гусеничных машин недоступно примерно 70% площади суши. Для транспортных целей это особого значения не имеет — просто подавляющая часть населения сосредоточена на оставшихся 30%, а при исключениях из этого правила можно проложить дорогу. Но вот недоступность для танков двух третей поверхности суши крайне нервирует военных.
Единственный доступный для танков путь на Апеннинский полуостров, например, — долина реки Витава на итало-словенской границе. Чтобы его надёжно перекрыть, необходимо всего 60 вертолётов. Даже если не впадать в крайности, в большинстве регионов мира военное железо вынуждено перемещаться в пределах более или менее широких коридоров, оставляя в стороне внушительные куски поверхности. И естественно, тот, кто сумеет проходить сквозь «стены», сможет попросту терроризировать противника.
Разумеется, есть ещё «оружие» почти абсолютной проходимости — пехота. Однако, лишённая непосредственной огневой поддержки и брони, она плохо справляется в горах даже с обороной нерегулярных частей. Вопреки распространённому мифу, пехота будет почти совершенно беспомощна, оказавшись на открытой местности. При столкновении с танками на открытой местности не имеющая тяжёлого вооружения пехота может сделать только одну правильную вещь — уносить ноги. Подобная рекомендация неудивительна — ни переносные противотанковые ракеты типа «Фагота», ни ручные противотанковые гранатомёты в принципе не способны бороться с современными танками в лоб, а стрелять в борт-корму после того, как танки прокатятся по головам, будет практически некому. Даже ПТУР, атакующие танк со стороны крыши, не являются панацеей — эквивалентная толщина крыши башни на «Меркава-4» уже доведена до 400 мм и параллельно развиваются системы активной защиты.
Действительно эффективные ПТУР вроде способного справиться с израильскими танками «Корнета» — возимые. Но за пределами на закрытой или сильнопересечённой местности пехота с переносным вооружением не может сколько-нибудь эффективно противостоять тяжеловооружённому противнику. Разумеется, тяжёлое противотанковое вооружение можно забросить по воздуху. Но вряд ли противник будет лояльно взирать на такие операции. При этом носимое вооружение и снаряжение зачастую является таковым очень условно. Количество снаряжения, которое необходимо на поле боя, уже превысило по весу возможности человека. Бойцы спецназа часто берут с собой по 50—60 кг груза, что ведёт к быстрой утомляемости, а значит, к риску быть убитым.
«Сухопутные торпеды»
Впрочем, вернёмся к колёсно-гусеничному железу. С уменьшением размеров ниже определённого предела — около 2,5—3 м длины для гусеничной машин — проблемы с проходимостью начинают возрастать в геометрической прогрессии. Для машин с экипажем эта проблема не очень актуальна: одно из самых компактных устройств — немецкий гусеничный мотоцикл NSU Kettenkrad — имело длину 3 м. Однако она встала во весь рост уже перед создателями первых дистанционно управляемых машин.
Первые попытки соорудить «сухопутную торпеду» датируются ещё 1915 годом. Перед Второй мировой войной практически все крупные военные державы разрабатывали дистанционно управляемые танкетки — «носители заряда», предназначенные для подрыва фортификационных сооружений и проделывания проходов в заграждениях. Самое веское слово в этой области сказали немцы. В 1941 году они разработали свою версию «камикадзе» («Голиаф» — масса 370 кг, длина 1,5 м), а в 1943-м массированно применили против мощной обороны советских войск на Курской дуге. Однако проходимость машин на покрытом препятствиями поле боя оказалась неприемлемо низкой. Поздние версии обладали чуть более высокими характеристиками, однако эффективностью это оружие всё равно не отличалось. В итоге из 7569 выпущенных танкеток использовано было только около тысячи. С теми же проблемами столкнулись отечественные конструкторы, пытавшиеся создать собственную «сухопутную торпеду».
Дело было не в порочности самой идеи. Более крупные безэкипажные машины — «Боргвард» (серийные модификации с боевой массой от 3,45 до 4,85 т) и «Шпрингер» — на базе упомянутого гусеничного мотоцикла показали себя неплохо. Но в течение всей войны «Боргварды» несли очень большие потери, система управления часто отказывала. Всего с апреля 1942-го по сентябрь 1944 года было изготовлено 1193 этих машин, а в начале 1945-го в строевых частях осталось только 79 танкеток, да ещё около 320 на складах. Тем не менее использование наземных «торпед» на всех фронтах оправдало себя, особенно эффективным оказалось взаимодействие безэкипажных машин с «Тиграми».
Попытки использовать для малоразмерных роботов-вездеходов классический гусеничный движитель очень рано — и очень наглядно — показали свою несостоятельность. В пределах доступных для колёсного и гусеничного транспорта коридоров он быстрее, экономнее и компактнее его новых конкурентов — шагающих устройств. Но для шагающего движителя существует огромная сфера, где он будет вне конкуренции. Огневая поддержка пехоты — быстрая, дешёвая и не зависящая от метеоусловий, в отличие от авиации, на недоступной для танков местности, снабжение войск в тех же условиях, использование в качестве движителя для малоразмерных роботов — это и есть экологическая ниша для механических ног. Ну и наконец, потребность в действительно вездеходной машине для гражданских нужд и космических исследований тоже никто не отменял. Именно поэтому сейчас интерес к шагоходам настолько серьёзен.
Стопоходы
Впрочем, сначала немного истории. Первые вменяемые проекты стопоходов — не столько шагающих, сколько переступающих механизмов — относятся ещё к концу XIX века, например известный стопоход академика Чебышёва. В 1893-м во Франции появился реальный работающий аппарат такого типа. Его поздняя конструкция передвигалась с помощью десятка переступающих ног, работающих практически по принципу гусеничного движителя. Даже такая простейшая схема обладала некоторыми преимуществами по отношению к обычным машинам. Построенный в США в 1944 году стопоход развивал скорость всего 8 км/ч, но при этом машина могла перемещаться по сильнопересечённой местности гораздо успешнее обычных транспортных средств. Хотя выглядело это вполне душераздирающе…
К концу XIX — началу XX века относятся и попытки соорудить гибриды шагающего движителя с колёсами. Был создан «полушагающий» трактор, построенный по схеме «сзади ноги, приводящие механизм в движение, спереди — колёса». Впрочем, первый проект такого рода — в паровом варианте — относится ещё к 1879 году.
Эра классических шагоходов — с полноценными ногами — началась в 1960-х годах вместе с появлением транспортабельных компьютеров. В 1966-м в Университете Южной Калифорнии появился Phoney Poney, оснащённый некоторым намёком на компьютерное управление. Тогда же шагоходами заинтересовались военные, и два года спустя появилась штуковина под названием General Electric Walking Truck — конструкция ростом более трёх метров, способная сниматься в «Звёздных войнах» без грима. Теоретически она была способна транспортировать 2,5 т груза по пересечённой местности. Однако на практике это чудо техники не отличалось устойчивостью, страшно утомляло оператора и не могло существовать в отрыве от связок гидравлических шлангов. Стало ясно, что без эффективного электронного мозга и более совершенной механики шагающие машины никогда не найдут практического применения.
В 1970-х годах наступает эра шагающих роботов, а машины становятся компактнее — малые размеры снимают часть проблем. Параллельно в моду входят многоногие машины, имеюшие лучшую устойчивость. Такими были, например, шестиногие советские «Маши» («Машины шагающие»), созданные командой профессора Гурфункеля, и ещё одна, более поздняя, советская разработка, американский шестиногий же робот, созданный автором вышеупомянутого «чуда техники». Новое порождение автора весило всего 136 кг. Впрочем, «Маши» отличались довольно внушительными размерами, а в 1980-х американцы отчасти вернулись к гигантомании, создав машину длиной 2,4 м.
Тем не менее эти агрегаты оставались крайне несовершенными — скорость американского аппарата составляла всего 0,11 м/с. Каждая перестановка ноги становилась поводом для задумчивости.
Шагающие «собаки», большие и малые
Новый рывок шагоходов наметился в начале нашего столетия. Впечатляющую динамику проще всего отследить на примере наиболее известной из «шагающих» компаний. В 2006 году Boston Dynamics имела в своём активе робота RHex — довольно примитивную машину с незатейливым движителем. Однако в 2008 году компания показала ВigDog — «Большую собаку». «Животное» мгновенно стало звездой. Последнее неудивительно — перед нами первый действительно практичный шагающий робот.
BigDog бегает со скоростью до 6,5 км/ч, поднимается на склон до 35 градусов, идёт через развалины, по снегу и воде и несёт до 154 кг груза (в реальных условиях и на полную дальность, видимо, меньше). Заодно «Большая собака» поставила мировой рекорд для шагающих транспортных средств, пройдя два десятка километров без остановки и дозаправки. Собственный вес робота составляет 75 кг, его высота 0,7 м, длина — 1 м.
Полноценная военная версия собаки — Legged Squad Support System (LS3) — будет больше, менее шумной, обзаведётся головой и сможет следовать за солдатом, двигаться по заранее заложенной программе (с помощью GPS) или управляться дистанционно. Наконец, робота научат прыгать — благо у Boston Dynamics уже есть опыт разработки скачущих механизмов. Компания создала Precision Urban Hopper («Меткий городской прыгун»), способный преодолевать преграды высотой до 7,5 м с помощью толчковой ноги. Робот должен будет доставлять груз в 181 кг на дальность 32 км. При этом бостонцы успешно совершенствуют и наиболее тонкий и неочевидный элемент своей программы — алгоритмы передвижения на местности. Демонстратор технологий компании, используемый для отработки алгоритмов (LittleDog), показывает сейчас качественно иной уровень, чем ВigDog двухлетней давности.
По словам военных заказчиков «собачек», «мы возвращаемся к истокам, делаем круг. Во времена Джорджа Вашингтона армия использовала мулов и лошадей. Затем их заменили грузовики, потом броневики и танки, а теперь мы можем вернуться к четырём ногам». Всего на «собак» предполагается переложить половину груза, навьюченного сейчас на пехотинца. Отчасти этому направлению составляет конкуренцию быстро развивающаяся технология экзоскелетов. Однако использовать боевую «машину», оснащённую самым совершенным на данный момент компьютером, — то есть солдата — для не требующих большого ума грузоперевозок кажется американским военным явным расточительством.
Интересно и другое направление разработок Boston Dynamics — снабжённые ногами роботы, способные подниматься по вертикальным поверхностям: стенам, деревьям и заборам. Двухкилограммовый робот RiSE использует микрокогти и, балансируя хвостом, карабкается по вертикали с вполне приличной скоростью 0,3 м/с. На этом направлении компания не одинока — например, в Стэндфордском университете разрабатываются ещё более изощрённые машины близкого назначения — Lemur.
Наконец, компания занимается андроидами — наряду с японцами и голландцами. Однако двуногая техника — отдельная и весьма специфичная тема. Зато, пожалуй, стоит остановиться на традиционном для шагающей техники занятии — попытках скрещивания достоинств ноги и колёса. Пожалуй, наиболее интересную машину такого рода представляет собой японский Halluc II.
Три основных режима его движения — «автомобиль», «зверь», «насекомое». В первом режиме робот передвигается на колёсах, способных поворачиваться практически на 180 градусов в горизонтальной плоскости. Второй режим — «зверь». Колёса жёстко фиксируются, и робот начинает передвигаться в шагающем режиме, адаптируясь к неровностям рельефа. Третий режим — колёса разворачиваются вверх и походка становится переступающей. При этом параллельно увеличивается и «база» робота.
Пока эффективность шагающих роботов далеко уступает их «натуральным» аналогам. И именно поэтому биомиметика (подражание живому) является важнейшим направлением их совершенствования. Нынешние шагающие роботы поглощают слишком много энергии и требуют огромной вычислительной мощности. Между тем, по словам одного из разработчиков, «таракан не задумывается над тем, что он бежит, он просто делает это». Разнообразная живность и вправду очень экономно использует свои «вычислительные мощности» и энергетические ресурсы, а подражание ей даёт блестящие результаты. Например, скопировав «технологии» кузнечиков и блох, в швейцарской Федеральной политехнической школе смогли создать весьма удачное устройство: «кузнечик» размером 5 см способен подскочить на высоту 1,4 м, то есть в 27 раз больше длины своего тела.
Технологии шагающих машин продвинулись довольно далеко. Достаточно далеко для того, чтобы вскоре ожидать начала их практического использования. Явно не завтра, но уже в обозримом будущем шагающие роботы встанут на вооружение тех армий, которые заказывают их разработку сейчас.
ОТПРАВИТЬ:
| Читать @chaskor |
Статьи по теме:
- Дунгуань и его единороги.
Как китайский город стал центром стартапов в области робототехники. - Крупнейшая в Европе ферма будет использовать энергию ветра и роботов.
И как это поможет климату. - Почему не надо бояться роботов?
И почему человек все равно сильнее. - Как роботы помогают справляться с загрязнением окружающей среды.
Внедрение технологий в окружающую среду с абсолютной отдачей. - Что будет, когда роботы сохранят все наши воспоминания.
- Все о цифровых людях.
Как виртуальные персонажи становятся самыми успешными блогерами. - Картинка вместо чувств.
Как эмодзи превращают нас в безэмоциональных роботов. - (Не)сбывшиеся технопророчества.
Каким видели XXI век в прошлом, что из этого сбылось, что нет, а что еще сбудется. - Некогда отдыхать.
Почему в мире становится все больше бесполезной работы? - Какие законы будут применяться к роботам.
«Конкуренция за превосходство в области искусственного интеллекта на национальном уровне — наиболее вероятная причина начала Третьей мировой войны».
