Молодой инженер Джон Романишин (John Romanishin) создал роботов M-Blocks, которые совсем недавно считались невозможными. Они уникальны тем, что умеют выполнять самосборку, и в них отсутствуют внешние подвижные части. Такая конструктивная особенность не мешает им передвигаться, карабкаться, соединяться друг с другом и демонстрировать другие чудеса ловкости.

Обсуждение возможностей роботов M-blocks (фото: Larry Hardesty / MIT)
Обсуждение возможностей роботов M-blocks (фото: Larry Hardesty / MIT).

Ранее два профессора робототехники заявляли о бесперспективности попыток создания таких моделей. Романишин предложил идею самостоятельно собирающихся модульных роботов два года назад, когда был студентом MIT. Его куратор профессор Даниэла Рус (Daniela Rus) ответила кратко: «Это невозможно». Спустя два года, когда разработка прототипа уже была почти завершена, её слова повторил профессор Корнеллского университета Ход Липсон (Hod Lipson).

Позже Даниэла признает свою неправоту и возглавит проект, но тогда она была настроена крайне скептически. Вместе с коллегами она рассказала Джону об опыте создания подобных роботов в рамках проекта Molecule. Самостоятельной сборке более сложных механизмов из универсальных роботизированных блоков препятствовала именно проблема выступающих элементов. Их пробовали миниатюризировать, делать выдвижными, предлагали концепцию «скользящей самосборки», но конструкция только усложнялась. Однако попыток не прекратили. Их важность Даниэла Рус комментирует на страницах сайта MIT:

Модульные роботы — это будущее. В отличие от специализированных моделей, они универсальны и могут адаптироваться под любые задачи.

Каких-то практических результатов до сих пор удалось достичь только группе Эрика Швайкарда (Eric Schweikardt) из компании Modular Robotics. Однако их самосборка — тонкий процесс, который пока часто требует вмешательства человека.

Предлагаемый Джоном вариант и вовсе казался абсурдным. Как заставить двигаться кубики с шестью гладкими сторонами? Идея создания таких роботов напоминала рассказ барона Мюнхгаузена о вытаскивании себя из болота за парик.

В самом деле — любой движущийся механизм перемещается за счёт взаимодействия с окружающей средой или поверхностью. Колёса автомобиля и гусеницы тяжёлой техники катятся, ноги шагающих роботов отталкиваются, винты создают тягу. Иначе работает реактивный двигатель, но здесь нет совершенно ничего подобного. Роботы M-Blocks двигаются как будто сами по себе.

Конечно, никакого нарушения законов физики (в частности третьего закона Ньютона) в них не происходит. Просто Джону и помогавшему ему Кайлу Глипину (Kyle Gilpin) удалось точно рассчитать условия для эффективного применения старой идеи — движения тела за счёт внутреннего перемещения массы.

Годами в разных формулировках её высказывали десятки изобретателей, и часто независимо друг от друга. Попытки создать физическую модель обычно заканчивались неудачей из-за невозможности учесть множество второстепенных факторов или некорректного объяснения наблюдаемых эффектов.

Современный вариант описан в патенте США 2,886,976, выданном в 1956 году. В двух словах: если массивное тело внутри объекта будет перемещаться от стороны «B» в направлении стороны «A» и обратно, то в большинстве случаев сам объект останется неподвижным. Однако можно подобрать параметры внутреннего перемещения массы так, что сила трения скомпенсирует отдачу на первом этапе цикла и удержит объект от перемещения назад. Тогда объекту будет сообщено поступательное движение в направлении «A->B». Ключевой момент состоит в том, что взаимодействие со средой для объекта сохраняется (через силу трения), но внешне процесс выглядит как магическое перемещение.

Такой тип устройств получил название «инерциоиды» и был популярен в семидесятых годах, находя применение в основном в развлекательных целях. По понятным причинам данный способ не работает на скользкой поверхности и тем более в условиях невесомости (см. печальный эксперимент Роскосмоса «Гравицапа»). Он практически бесполезен в технике (обычные колёса удобнее), но может оказаться единственным в специфических условиях применения.

Устройство робота M-Block (фото: M. Scott Brauer)
Устройство робота M-Block (фото: M. Scott Brauer).

Внутри каждого M-блока размещён маховик, вращающийся с частотой до 2 000 об/мин. В момент резкой остановки маховик передаёт кинетический момент кубу, что приводит к его направленному движению. На каждом ребре M-Block и на каждой его стороне расположены магниты, помогающие кубам соединяться между собой. Соавтор разработки Кайл Глипин так комментирует её особенности:

«Вы можете остановить движение отдельного куба в любой момент времени. Точность его соединения с другими обеспечивается магнитами. Они имеют подвижное крепление и самостоятельно переориентируются разноимёнными полюсами друг к другу. Поэтому кубы могут соединяться любыми сторонами и гранями. Это совершенно уникальная система».

Грани кубов немного скошены, поэтому между ними (и между магнитами) всегда остаётся небольшой зазор. Это обеспечивает возможность реконфигурации и лёгкость изменения формы образованной кубами фигуры.

Разработка роботов M-blocks (фото: mit.edu)
Разработка роботов M-blocks (фото: mit.edu).

Пока роботы двигаются не слишком уверенно, однако проект находится на ранней стадии. В будущем роботы M-Blocks будут не только собирать себя самостоятельно и менять форму. Помимо универсальных блоков, появятся специализированные — несущие различные датчики, модули беспроводной связи, источники питания, компоненты манипуляторов и другие элементы:

Практически все альтернативные модульные системы чувствительны к утрате своих элементов. Они не вернутся на место сами, если отсоединятся в процессе работы. M-blocks способны реконфигурироваться постоянно.

Основные усилия команды направлены сейчас на миниатюризацию блоков. Конечная цель — создать множество микроскопических роботов, способных к самостоятельной сборке в любые макроструктуры, от ручных инструментов до инженерных сооружений. Очень похоже на продвигаемую DARPA идею «умной пыли» или на частицы «жидкой» модели из второй части «Терминатора».

Их автор утверждает, что это произойдёт быстрее, чем вы думаете, но указывает исключительно созидательные области применения. М-Blocks помогут в ликвидации чрезвычайных ситуаций, будут способны работать в труднодоступных человеку и обычным роботам местах, подстраиваясь под меняющиеся условия и восстанавливаясь после повреждений.

Сейчас Джон работает в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Он занимается разработкой и внедрением новых распределённых систем в сфере робототехники.