Текст книги "Знакомьтесь - роботы!"

Автор книги: Арон Кобринский

Соавторы: Иван Артоболевский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 17 страниц)

Артоболевский И.И., Кобринский А.Е
Знакомьтесь – роботы!

ОРГАНИЗОВАТЬ СЕРИЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО АВТОМАТИЧЕСКИХ МАНИПУЛЯТОРОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ МЕХАНИЗИРОВАТЬ И АВТОМАТИЗИРОВАТЬ ТЯЖЕЛЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И МОНОТОННЫЕ РАБОТЫ.

«Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976–1980 годы»

От авторов

Какова будет техника завтрашнего дня, какие машины будущего надо уже сегодня изобретать, разрабатывать, проектировать, строить?

В области современной науки и техники нет более важного вопроса. Важного во всех отношениях! Ведь от того, насколько правильно он будет решен, во многом зависит и благосостояние нашего государства, и его уверенность в завтрашнем дне.

И вероятно, нет более сложного вопроса. Будущее измеряют разными масштабами. Будущее – это конец десятой пятилетки, будущее – это конец XX века, будущее – это еще более отдаленные времена. Каждому понятно, что чем дальше пытаться заглянуть и будущее техники, тем сложнее увидеть, разглядеть технику этого будущего. Но это необходимо.

Техника конца десятой пятилетки создается сегодня. Мы уже знаем, какие машины, автоматы, автоматические линии и комплексы будут работать на благо советского человека в одиннадцатой пятилетке. Партия и правительство, планируя будущее научно-технического прогресса в нашей стране, поставили перед учеными и инженерами задачу определить технические перспективы на 15-20-25 лет вперед!

Решить эту задачу – значит направить по правильному пути мысль и труд тысяч, миллионов людей – рабочих, инженеров, ученых. Правильность научного предвидения, точность технических прогнозов приобретают все большее значение по мере того, как развивается и совершенствуется человеческое общество.

Леонардо да Винчи в своих дневниках и записках рисовал и рассчитывал машины будущего – сложные грузоподъемные машины, самолеты и другие. Но его технические прогнозы мало интересовали его современников. Техника средневековья делалась руками ремесленника, технический прогноз был его личным делом, занимаясь им, он не хотел и не мог заглядывать далеко вперед.

В условиях капитализма технический прогноз – частное дело фирмы. Ее благосостояние, само ее существование во многом зависят от того, насколько успешно она сумеет утаить от конкурентов свои соображения по поводу конкретной техники будущего.

В социалистическом обществе вопросы прогнозирования приобретают общенародное государственное значение. Они решаются большими коллективами ученых и инженеров, требуют от них эрудиции, высокой квалификации, умения заглянуть вперед. Технический прогноз – коллективное предсказание будущего техники, многократно взвешенное на обсуждениях и совещаниях различного уровня.

И вот что интересно. В какой бы научно-технический прогноз мы сегодня ни заглянули, обязательно встретим там среди наиболее перспективных технических средств машины и системы робототехники.

Роботы! Слово это давно нам знакомо по фантастическим рассказам и романам. А сегодня оно встречается в учебниках, монографиях, научных и газетных статьях, технических прогнозах.

Мы уже привыкли к тому, что термин, рожденный в той или иной области науки или техники, становится затем достоянием фантастической, популярной, художественной литературы. Вспомните такие слова, как "атом" и "спутник". Но чтобы слово, родившееся в фантастическом произведении, стало общепринятым научным и техническим термином – случается очень редко. Так произошло со словом "робот". Мы не смогли вспомнить других широко известных терминов с такой удивительной судьбой.

Решив написать популярную книгу о роботах, мы встретились с уникальной ситуацией: мы взялись рассказывать о машинах и автоматах, в общем непохожих на тех роботов, которые "живут" в литературных произведениях, и в то же время должны объяснять, почему их все-таки называют роботами?

Обсуждая эту ситуацию, мы с сожалением вынуждены были отказаться от наиболее простого для нас выхода – не упоминая ни единым словом о роботах, которых вам рисует ваше воображение, окунуться в подробности устройства и действия тех роботов, о которых идет речь во всех технических прогнозах, и поступить иначе.

Прежде всего мы дали себе клятву, что в книге не будет ни одного уравнения и ни одной формулы и что она будет понятна каждому читателю, даже мало знакомому с актуальными современными техническими проблемами. А кроме того, нам хотелось, чтобы читать ее было не только легко, но еще и интересно, а иногда даже весело Но, конечно, книга ни в коем случае не должна терять при этом серьезности и содержательности Короче говоря, она должна быть серьезной не в ущерб занимательности, занимательной не в ущерб серьезности.

Воодушевленные этими благими намерениями, мы взялись за дело. И чтобы сразу же взять быка за рога, решили с самого начала ответить на вопрос: "Что такое робот?"

Цепная реакция

Что такое робот?

Некоего древнеримского схоласта ( схоласт, латин. scholasticiis – философ с уклоном в буквоедство, начетничество и бесплодное умствование), часто возвращавшегося домой в нетрезвом состоянии, супруга обычно встречала восклицанием: «Опять напился, винолентус!»

Однажды, вместо того чтобы пропустить привычную тираду мимо ушей, схоласт принял оскорбленный вид и попробовал доказать, что он не пьян. Будучи силен в дискуссии, он начал искать подходящую половицу, чтобы, пройдя по ней, показать свою способность сохранять равновесие, но разъяренная матрона не позволила увлечь себя на смутный путь аксиом, теорем и доказательств.

Вместо этого она схватила схоласта за тогу, подтащила к окну и обратилась с вопросом к проходившему мимо жрецу: "Скажи, отец, человек, которого я держу за шиворот, пьян или нет?"

Жрец посмотрел схоласту в глаза, кротко сказал:

"Да, пьян!" – и, качаясь, пошел дальше.

"Это не доказательство", – запротестовал схоласт.

Тогда женщина с тем же вопросом обратилась к знатному римлянину, шедшему с факелом под мышкой.

Тот молча достал спички из кармана тоги, зажег факел и приблизил его к схоласту. Дыхание схоласта вспыхнуло клубом огня, а знатный римлянин строго спросил:

"Зачем ты, женщина, задаешь мне глупые вопросы и заставляешь тратить спички, которые мне нужны для более важного дела?"

Но схоласт сказал: "Это не доказательство".

В это время мимо проходил патриций, ведший под уздцы коня. Остановленный вопросом женщины, он взглянул на своего спутника. Конь, почуяв дыхание схоласта, брезгливо поморщился и отвернулся.

"Ты видишь наш ответ, – произнес патриций, – не задерживай нас больше, мы спешим в сенат".

"Это еще тоже не доказательство", – пробормотал схоласт.

И тогда женщина тем же вопросом остановила трех пеших всадников, один из которых тащил на себе седло, второй нес уздечку, третий – шпоры.

Все трое, как один, завистливо потянули носами и хором сказали: "Твой муж, благородная матрона, уже пьян, а мы еще только идем на очень важный симпозиум". (Симпозиум в Древнем Риме – времяпрепровождение, сопровождавшееся выпивкой и беседами.)

Тут женщина торжествующе вскричала: "Если семеро экспертов утверждают, что ты пьян, – ложись спать!"

Такова приблизительная история изобретения простой древнеримской женщиной метода экспертных оценок, нашедшего отражение в древнеримском (и не только в древнеримском!) фольклоре.

Эту историю мы вспомнили в связи с историей другого изобретения, имеющего непосредственное отношение к нашей книге.

Свыше 50 лет назад чешский писатель Карел Чапек "изобрел" робота копию человека, выполненную по его образу и подобию, но обладающую нечеловеческими чувствами и свойствами, и сделал роботов главными действующими лицами литературного произведения. Они стали крайне популярными и начали размножаться с поразительной скоростью. Вскоре каждый мало-мальски уважающий себя фантаст обзавелся роботами, сотворенными по придуманному им образу и подобию. У каждого были свои роботы, непохожие на чужих, и в этом не было ничего необычного. Ведь множество других образов, понятий и терминов часто толкуются разными людьми по-разному без каких-либо вредных от этого последствий.

Но вот спустя еще некоторое время роботы неожиданно появились в технических записках, проектах, научных статьях, ими стали заниматься инженеры и ученые. И тут с самого начала робототехники дело сразу запуталось.

Пока робот существовал только в воображении людей и в литературных произведениях, кому могло прийти в голову требовать точного определения термина "робот" или тем более выяснять подробности его устройства?

Да и у кого требовать? У кого выяснять? И зачем?

Пусть о придуманном роботе каждый думает все, что хочет!

Однако, как только нечто воображаемое становится чем-то реальным, начинает представлять технический, экономический, социальный или научный интерес, сразу же возникает естественное желание знать, насколько это реальное похоже на воображаемое? На чье воображаемое, наше или ваше, оно похоже?

Чем больше обещает воображаемое, тем громче и настойчивее эти вопросы.

Роботы? Вот это здорово!!! А что такое робот?

На что он похож? Что он может? Часы – робот? Ах, роботы заменяют человека? А почему электромясорубка не робот? Она ведь работает вместо человека? А электростанция – робот? Почему нет? Что же такое робот?

Ах, вы в точности не знаете, что это такое? Значит, вы сами не знаете, чем занимаетесь? Вот как?

Замечаете, какие неприятные последствия стали возникать в результате того, что робот перекочевал из мира фантазии в реальный мир! А все из-за того, что точно рассказать, что такое робот, так же трудно, как, например, дать точное однозначное определение слова "домовой".

Вот в этот самый критический момент группа ученых всерьез задумалась: "Что же это такое? Уже 20 с лишним лет разрабатывается метод экспертных оценок, который специально предназначен, чтобы люди могли прийти к соглашению по поводу спорных или неясных вопросов. Так давайте применим этот новый (?) метод, если у нас по-другому ничего не получается!"

Сказано – сделано! Кликнули клич, на который отозвались ни много ни мало 156 экспертов. Это вам не: «Когда семеро говорят!..» Это намного надежнее! Но метод был тот же самый.

Экспертам не стали морочить голову вопросами: "Что такое робот? Как он должен быть сделан?" и другими.

Были составлены описания нескольких различных систем, которые в современной научной и технической литературе фигурируют под кличкой "робот". Затем эти описания предъявили экспертам, подобно тому как древнеримская женщина предъявляла своего схоласта проходящим мимо окна, с тем же вопросом: "Да или нет?"

Каждого эксперта попросили, чтобы он, не общаясь со 155 другими экспертами, указал, какие из систем, по его мнению, действительно заслуживают этой клички.

Мы не будем здесь пересказывать описания всех систем, предъявленных экспертам. Лишь для примера укажем, что среди них фигурировали луноход и биорука, созданные советскими учеными и инженерами, система машинного перевода с языка на язык и даже система проверки денег и марок на случай мошенничества.

Наиболее достойными называться роботами были признаны системы, описанные так:

"Подвижные системы, способные "обучаться" и прокладывать кратчайший путь на площадке с произвольно расположенными препятствиями к назначенной цели без столкновений".

К этому "единогласному" мнению пришли 120 экспертов из 156. Все другие системы получили меньше или значительно меньше голосов, но без "голосов" не осталась ни одна. Даже систему проверки денег на случай мошенничества семь экспертов признали роботом.

Вы несколько разочарованы результатами опроса экспертов? Вам кажется уж очень "приземленным" описание "чемпиона" среди роботов? Слишком скромными его способности? Вам бы хотелось, чтобы оно действительно больше походило на воображаемое?

Прочтите остальную часть книги! Может быть, ваше разочарование пройдет. Мы постараемся вам показать, что реальности могут быть намного интереснее и умнее фантазий, не говоря уже о том, насколько они нужнее и полезнее. В этом состоит одна из главных целей, какие мы перед собой поставили.

Эта книга не учебник по робототехнике, она рассказ на тему, отражающую одно из новых, важных (и фантастических!) направлений научно-технического прогресса.

Океан энергии

Вряд ли в истории мировой науки можно назвать еще одну супружескую пару, которая сделала для человечества столько, сколько сделали супруги Кюри. Всемирную славу им принесли их исследования явления радиоактивности, которые начались на исходе прошлого века. Мы не собираемся здесь перечислять их огромные научные заслуги и упомянули супругов Кюри только, чтобы в дальнейшем читатель мог по достоинству оценить темпы, которыми способны развиваться наука и техника.

Итак, в 1903 году Пьер Кюри обнаружил самопроизвольное выделение тепла солями радия, связав радиоактивность с выделением значительных количеств энергии. Тем самым он способствовал пониманию процесса радиоактивности как результата атомных превращений, способствовал проникновению науки в глубь атома.

В 1919 году выдающемуся английскому физику Эрнесту Резерфорду удалось впервые в мире расщепить ядро атома азота. А спустя еще 11 лет он высказал гипотезу о существовании нейтрона – нейтральной (не имеющей электрического заряда) элементарной частицы, входящей наряду с прогоном (электрически заряженным) в состав атомного ядра.

В 1932 году это блестящее предвидение было экспериментально подтверждено английским физиком Дж. Чедвиком, открывшим нейтрон.

В 1938 году два немецких ученых Отто Ган и Фридрих Штрассман открыли новое явление – деление ядер атомов урана и тория. Они обнаружили, что атомы урана-235 можно "расколоть" на две примерно одинаковые части, бомбардируя их нейтронами, движущимися со скоростью порядка 400 метров в секунду. При этом получался удивительный результат. Суммарная масса осколков оказывалась несколько меньше массы целого ядра.

Зато разрушение его сопровождалось выделением энергии. И еще они обнаружили, что каждый акт деления ядра сопровождался испусканием в среднем более двух нейтронов взамен одного поглощенного. При некоторых условиях эти нейтроны вызывают деление двух ядер, ускоряя процесс распада, в результате которого освобождается гигантская энергия. Этот лавинообразный процесс получил название "цепная реакция". Так были созданы научные предпосылки к использованию атомной энергии.

Спустя всего лишь семь лет после открытия О. Гана и Ф. Штрассмана пережили трагедию японские города Хиросима и Нагасаки, на которые американские летчики сбросили две первые атомные бомбы. А спустя еще десять лет в Советском Союзе вступила в строй первая в мире атомная электростанция, затем первый в мире атомный ледокол…

И примерно тогда же созданная в США государственная комиссия по атомной энергии сообщила, что, по ее подсчетам, к концу XX века половину электрической энергии будут поставлять атомные реакторы, а через сто лет ими будет производиться почти вся электроэнергия, которой тогда понадобится во много раз больше, чем сейчас.

Мы напомнили несколько имен, которые уже внесены во все энциклопедии мира, и несколько событий, ставших важными вехами в истории научно-технического прогресса человечества. Теперь читатель может сам оценить масштабы той "цепной реакции", которой ответили наука и техника на первые открытия, первые изобретения, первые опыты в этой области.

Естественно поставить вопрос, насколько закономерна такая бурная реакция? Почему то, что 70-50-30-10 лет назад интересовало только небольшую группу ученых, с течением времени становится центром внимания миллионов людей? И не просто внимания, а центром приложения их творческих сил и способностей? Становится предметом заботы специальных ведомств, министерств, правительств, готовых нести гигантские затраты, заметные даже в бюджете целого государства?

Больше четырех пятых мирового потребления энергии дают уголь, нефть, газ, торф. Их запасы из года в год сокращаются. Уже сегодня видно, что может наступить время, когда при всевозрастающей потребности в энергии из земных недр придется, фигурально выражаясь, вычерпывать ложкой остатки нефти и вырубать последний кусок угля. Уже сегодня все громче, злободневней и понятней становятся разговоры о назревающем "энергетическом кризисе". Конечно, каждый человек по отдельности может об этом не думать, успокаивая себя соображениями: "На мой век энергии хватит".

Но человечество в целом об этом думать обязано, обязано заранее найти пути и способы его предотвращения.

Конечно, супруги Кюри, делая свои открытия, совершенно не думали ни о каком "энергетическом кризисе".

Про Э. Резерфорда говорят, что в 1937 году, то есть за год до опубликования работ О. Гана и Ф. Штрассмана, на вопрос о том, когда его открытие найдет практическое применение, он ответил: "Никогда". Важно не это.

Важно, что их открытия и исследования, работа сотен и тысяч других ученых и исследователей, десятков и сотен тысяч рабочих и инженеров, одним словом, работа миллионов людей в конечном счете решает жизненно важные государственные, общечеловеческие проблемы.

В этом и только в этом случае возникает "цепная реакция", развивающаяся такими темпами и достигающая таких масштабов, которые нам порой трудно себе представить.

Ну хорошо, может сказать читатель, понятно, насколько жизненно важно решить энергетическую проблему. Но ведь страницей раньше было сказано, что, проникнув в атом, человек оказался буквально у бездонного океана энергии. Казалось бы, черпай из этого океана сколько нужно, и все тут!

Для того чтобы добывать нефть, уголь и газ, нужны миллионы людей. Это и шахтеры, врубающиеся в лаву непосредственно в забое, и инженеры, проектирующие угольные комбайны, и нефтяники, работающие на бурильных установках, и геологи, разведывающие новые месторождения, и ученые, разрабатывающие способы транспортировки газа и нефти на тысячекилометровые расстояния, и строители нефте– и газопроводов…

Так надо ли удивляться, что для того, чтобы добывать атомную энергию в таких количествах, которые бы вносили существенный вклад в проблему предупреждения кризиса, тоже нужны миллионы людей, специалисты многих специальностей, уже привычных и совершенно новых. И нужна техника – уже привычная и новая, новейшая, сверхновейшая! Только тогда наука может стать реальной производительной силой, когда она шагает рука об руку с техникой. И чем более глубокие научные открытия приходят на службу человеку, чем более тонкие и сложные технологические процессы сопряжены с их использованием, тем все более сложные задачи возникают перед техникой, тем все более "квалифицированными" и разнообразными должны становиться установки, машины, приборы и автоматы, выполняющие эти процессы. Вот почему в наши дни, говоря о научно-техническом прогрессе, подчеркивают, что наука и техника сегодня неотделимы одна от другой, как неразделим тот вклад, который они несут в решение жизненно важных проблем, стоящих перед человечеством.

Начало робототехники

Вы, наверное, догадываетесь, что мы не случайно начали книжку о робототехнике с рассказа об атомной энергетике. И действительно, здесь никакой случайности нет!

Да, атомная энергетика уже стала одним из столпов технического прогресса, энергетической базой нашего ближайшего будущего. Но материалы, с которыми приходится иметь дело в этой области техники, обладают радиоактивностью – свойством, угрожающим здоровью и самой жизни человека, ужасным свойством, породившим трагедию Хиросимы. От лучевой болезни нет прививок и нет способов "закаливания" организма, предупреждающих заболевание при интенсивном облучении.

Опасны для человека не только сами радиоактивные вещества, но и оборудование, машины, инструменты, которые используются при их получении и обработке. Они сами под воздействием облучения становятся "заразными". А вместе с тем работы с радиоактивными веществами, процессы и технологии, связанные с научными исследованиями и производством ядерного горючего, ремонтом, монтажом и демонтажем реакторов, обслуживанием машин, приборов, устройств и систем ядерной энергетики, всего того оборудования, которое эксплуатируется в радиоактивных зонах, требуют непрерывного участия людей. О том, какого размаха уже достигли эти работы, процессы, технологии и каких масштабов они неизбежно достигнут в ближайшем будущем, только что говорилось.

Так возникло противоречие между потребностями человека, которые может удовлетворить только атомная промышленность, и опасностью для его здоровья и жизни, которую она несет. Оно возникло не сегодня и не вчера, а еще в ту пору, когда не было речи об атомной энергетике, когда велись первые опыты по изучению радиоактивности, когда первые ученые и исследователи «открыли» лучевую болезнь, на своем личном горьком опыте познали ее тяжелые последствия. И еще в ту пору стало ясно – профилактика этой болезни состоит в том, чтобы защитить человека от вредной радиации.

Значит, указанное противоречие можно было разрешить единственным способом: надо было отделить зону, где находится материал и оборудование, несущие смертельную угрозу, от зоны, где находятся люди. Но как же тогда производить манипуляции с этими материалами, манипуляции, с которыми сопряжены все опыты, научно-технические исследования, технические работы?

Может быть, следовало встать на путь создания специальных автоматических устройств, которые бы могли все это делать полностью без непосредственного участия человека?

Это было невозможно! И не потому, что тогда, когда атомная энергетика еще только зарождалась, теория и техника создания автоматических систем тоже были развиты еще недостаточно. Это невозможно сделать сегодня и, вероятно, невозможно будет сделать в обозримом будущем! Непосредственное участие человека было, есть и будет необходимым при выполнении бесчисленного множества операций, действий и процессов; слишком они разнообразны, нестандартны, заранее непредсказуемы, чтобы их выполнение можно было поручить автомату.

Единственно правильное решение, которое могло вывести из этого "тупика", опиралось на следующее рассуждение. Если нет технической возможности использовать автоматы, которые бы работали вместо человека, значит, следует создать машины, механизмы и устройства, которые будут работать вместе с человеком. Надо создать механические руки, которые можно будет устанавливать непосредственно там, где находятся радиоактивные материалы и оборудование, – в "горячей" камере, в изолированном помещении, одним словом, там, куда человеку доступ запрещен. А человека надо поместить в защищенную от ядерной радиации безопасную зону. И пусть он, находясь в этой зоне, управляет всеми движениями механических рук.

Конечно, в действительности дело обстояло не так, что сначала в такой четкой и ясной форме была сформулирована идея решения, а затем только начались технические разработки. Создание технических средств, без которых был невозможен никакой прогресс в этой области науки, началось сразу же, как только обнаружилась страшная угроза. Сначала эти средства были чрезвычайно просты. Радиоактивный материал помещался в ящик, стенки которого покрывались листами свинца, лучше других материалов задерживающего смертоносные лучи. А механическими руками служили простые инструменты, отдаленно напоминающие длинные щипцы, захват которых просовывался внутрь ящика. Через прорези, защищенные толстым кварцевым стеклом, можно было заглянуть в ящик и следить за тем, что там происходит, а выдвигая, втягивая, поворачивая, разводя и сводя рукоятки щипцов, можно было управлять движениями их захвата и с грехом пополам выполнять задуманные опыты. Почему с грехом пополам? А вы попробуйте длинными клещами взять чайник, поставить его на горящую конфорку, а когда он закипит, налить чашку кипятка. Тогда поймете, почему химики и физики, лаборанты и механики – люди самых разных специальностей – вынуждены одновременно овладевать еще одной специальностью, становиться специалистами-операторами, умеющими действовать искусственными конечностями.

Шло время, место небольших помещений, где проводились первые опыты и первые исследования, заняли многочисленные атомные лаборатории; покрытые свинцом ящики превратились в камеры с бетонными стенами толщиной в несколько метров; иногда эти изолированные помещения больше напоминают самолетный ангар, чем камеру.

А неуклюжие и неудобные щипцы?.. Вместо них используются сложные машины и устройства, позволяющие передать движения человека-оператора из безопасной зоны внутрь камер, туда, где надо выполнять самые различные работы. Эти машины, предназначенные для передачи движений человека на расстояние, называют манипуляторами. Стальные руки в камерах действуют прямо-таки «по-человечески». Они берут коробок спичек, открывают его, достают спичку и зажигают ее. Квалифицированный оператор с помощью высокоточного манипулятора может продернуть нитку в игольное ушко.

Манипуляторы – первые машины, обладающие парой механических рук и умеющие выполнять этими руками человекоподобные движения. Вот почему можно смело утверждать, что именно с них началась робототехника.

Почти за сорок лет, прошедших со времени появления первого манипулятора, семейство этих машин значительно расширитесь и усовершенствовалось. Сейчас их используется много тысяч, а их разработка и выпуск становятся отраслью промышленности, пока еще скромной по объему производства, но быстро развивающейся. Человечество все острее ощущает потребность в новом виде энергии, а для того, чтобы ее добыть и использовать, нужны новые машины-манипуляторы, роботы, умеющие работать вместе с человеком.

"Горячая" камера атомной лаборатории не единственное место, куда человек хочет, но не может проникнуть лично, либо, проникнув туда, в силу своих физиологических свойств вынужден надежно изолировать себя от окружающей среды и, значит, прибегать к помощи надежного и послушного посредника между собой и этой средой.