Naśladowcy natury

Dla pojazdów dostępna jest tylko połowa powierzchni lądowej naszej planety. Za to człowiek i zwierzę mogą dotrzeć niemal do każdego jej zakątka. Sama natura podpowiada rozwiązania, które pozwalają na osiągnięcie takiej mobilności w trudnym terenie, jaką mają ludzie lub zwierzęta. Specjaliści od robotów poszukują więc technologii umożliwiających konstruowanie pojazdów, które miałyby nogi przypominające narząd ruchu żywych istot.

W trakcie badań okazało się, że można tak zaprojektować i zaprogramować roboty, aby opanowały trzy podstawowe czynności. Po pierwsze, aby pionowo odbijały się od podłoża bez utraty stabilności; po drugie, kontrolowały stąpanie w każdej fazie wykonywanego kroku; a po trzecie, poruszały się bez utraty równowagi całej konstrukcji. Dlatego nogi kroczących robotów wyposażone są w stawy i biodra, które umożliwiają im ustawianie stopy w najbardziej dogodnym położeniu, tak aby konstrukcja mogła się poruszać.

Aby robot wykonywał swoje funkcje w sposób jak najbardziej praktyczny, musiały zostać spełnione również dwa inne warunki: wyposażenie we własny system zasilania, który umożliwiłby działanie bez instalowania przewodów łączących go ze źródłem energii lub operatorem, oraz w odpowiedni algorytm zdefiniowanych czynności, dzięki czemu urządzenie wykonywałoby stabilne ruchy w terenie. Innymi słowy, należało nauczyć robota chodzić.

Znaczący postęp w dziedzinie robotów kroczących zanotowano w ciągu ostatnich 20 lat. W tym czasie amerykański konstruktor Marc Raibert, prezes założonego w 1992 roku przedsiębiorstwa Boston Dynamics, wraz z grupą współpracowników stworzył serię robotów naśladujących ruchy człowieka oraz zwierząt.

Firma ta, ściśle kooperująca z amerykańskimi siłami zbrojnymi, tworzy wiele innowacyjnych projektów, takich jak Big Dog - czworonożny robot zdolny przemieszczać się w trudnym terenie, Petman - antropomorficzne urządzenie służące do testowania odzieży ochronnej oraz wyposażenia indywidualnego, Rise - robot, który potrafi wspinać się po pionowych powierzchniach, oraz Sguishbot - zmieniający kształt, mogący przecisnąć się przez szparę lub wpełznąć w otwór w ścianie.

O Big Dogu mówi się, że jest samcem alfa wśród innych projektowanych przez Boston Dynamics tego rodzaju urządzeń. To chodzący, biegający, wspinający się po stromych podejściach robot, przystosowany do przenoszenia ładunków. Jest napędzany silnikiem, który z kolei zasila system hydrauliczny. Big Dog porusza się na czterech nogach, każdą z nich wyposażono w przeguby (stawy) umożliwiające ich zginanie na wzór kończyn zwierząt.

Nogi posiadają wbudowane systemy pochłaniające wstrząsy kinetyczne i potrafiące odzyskiwać energię powstałą przy przenoszeniu ciężaru korpusu w czasie kroczenia. Robot ten przypomina bardziej muła lub osła, choć jest od nich nieco mniejszy. Ma długość około jednego metra, wysokość 70 centymetrów i waży nieco ponad 100 kilogramów. System kontroli ruchu utrzymuje robota w równowadze, pozwala zachować odpowiedni kierunek przemieszczania się. Zestaw innych czujników panuje nad jego pionową pozycją, kontroluje obciążenie, utrzymuje kontakt urządzenia z podłożem, natomiast wbudowany radar i stereoskopowy system optyczny pozwalają na orientację maszyny w terenie.

Konstruktorzy mówią, że Big Dog dostał swojego pana. Jest to robot o antropomorficznym kształcie, wykorzystywany głównie do testowania ochronnych ubiorów przeciwchemicznych używanych przez amerykańską armię. W odróżnieniu od poprzedniego modelu, który był wspomagany mechanicznie i dysponował ograniczonym zakresem ruchów, Petman będzie samodzielnie utrzymywał równowagę, poruszał się swobodnie jak człowiek, a nawet czołgał się i wykonywał inne czynności, w czasie których ubiór jest szczególnie narażony na uszkodzenia oraz kontakt z substancjami z otoczenia, na przykład w miejscach zgięć kończyn. Petman będzie również symulował fizjologiczne reakcje odzianego w strój ciała ludzkiego, takie jak zmiana temperatury, pocenie się i różna wilgotność skóry. Wszystko po to, aby stworzyć jak najbardziej realistyczne warunki do badań ubiorów ochronnych.

Zdaniem naukowców z Boston Dynamics, osiągnięcie efektu sprawnego poruszania się przez Petmana ma tutaj zasadnicze znaczenie. Dopiero wtedy będzie można ocenić, w których miejscach odzież ochronna jest najbardziej narażona na uszkodzenia i jak reaguje na przykład na kontakt z substancjami chemicznymi. Prace nad ostateczną wersją tej konstrukcji zostaną ukończone w 2011 roku.

Kontynuacją projektu Big Dog oraz jego cięższą i bardziej zaawansowaną wersją jest LS3. To kolejny dynamiczny robot konstruowany na potrzeby amerykańskich marines i przez nich finansowany wspólnie z Agencją Zaawansowanych Obronnych Projektów Badawczych Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA). Celem jego twórców jest stworzenie czteronożnego pojazdu, który będzie podążał pieszo krok w krok za żołnierzem. Nie będzie potrzebował kierowcy czy operatora. Komputerowy system optyczny pozwoli mu śledzić kierunek przemieszczania się lidera lub samodzielnie dotrzeć do celu za pomocą systemu czujników i GPS. Pierwszy egzemplarz ma wejść do wyposażenia amerykańskiej armii w 2012 roku.

- Jeśli LS3 przejmie od każdego żołnierza oddziału po około 20 kilogramów ładunku, zmniejszy to w sposób znaczący prawdopodobieństwo urazu, zmęczenie i tym samym podniesie skuteczność w walce - mówi Mark Raibert, dyrektor tego programu.

RHex to niewielki, bardzo wytrzymały, przenośny samobieżny robot o nadzwyczajnych zdolnościach poruszania się w trudnym terenie. Wyposażony jest w sześć elastycznych nóżek, które pozwalają na przemieszczanie się po różnego rodzaju nawierzchniach, grząskim błocie czy piasku. RHex pokonuje leżące przeszkody, wspina się na kaskadowe wzniesienia oraz schody. Ma hermetycznie zamkniętą konstrukcję, co umożliwia mu działanie w warunkach dużej wilgotności (deszczowa pogoda, mokre podłoże). Potrafi również pływać i jest zdalnie sterowany do odległości 600 metrów. Wbudowane kamery wideo pozwalają operatorowi obserwować sytuację z przodu i z tyłu przemieszczającego się robota. Urządzenie posiada własne systemy nawigacyjne i zainstalowane czujniki, które umożliwiają sprawne nim sterowanie. Zdaniem ekspertów od wojskowych operacji, RHex świetnie nadaje się do zadań dywersyjnych, tak lądowych, jak i morskich.

Atlas natomiast to robot, który, podobnie jak Petman, ma przybrać postać człowieka i jak on będzie zdolny do pokonywania trudnego terenu. Poza wyprostowaną pozycją będzie mógł chodzić bokiem, co jest szczególnie przydatne przy przeciskaniu się przez wąskie przejścia. To człekokształtne urządzenie będzie wykorzystywało "ręce" dla utrzymywania równowagi i podpierania się. W odróżnieniu od innych humanoidalnych konstrukcji, w których zastosowano statyczną kontrolę ruchu, Atlas zostanie wyposażony w zaawansowane oprogramowanie umożliwiające kontrolowanie siły nacisku kończyn na podłoże. Będzie więc mógł balansować ciałem i rozpoznawać gęstość podłoża.

Wykorzystywanie go w operacjach wojskowych na tym etapie prac wydaje mało prawdopodobne ze względu na niewielką prędkość, z którą będzie mógł się poruszać - około 6 kilometrów na godzinę. Tsunami w Japonii oraz jego katastrofalne skutki dla tamtejszych elektrowni atomowych pokazują jednak, że tego typu roboty znalazłyby zastosowanie tam, gdzie ludzie stają się bezradni wobec wysokiego poziomu promieniowania radioaktywnego lub innego nieprzyjaznego środowiska.

Cheetah, czyli Gepard, będzie czteronożnym robotem wyposażonym w elastyczny kręgosłup, przegubową szyję, a nawet ogon. Poruszać się będzie szybciej niż jakiekolwiek inne istniejące urządzenie wyposażone w nogi. Poza możliwością osiągania dużych prędkości Cheetah zostanie tak zaprojektowany, aby mógł pokonywać ciasne przejścia oraz poruszać się zygzakiem. Będzie zdolny do ścigania wytypowanych przez operatora obiektów lub do unikania. Tym samym stanie się trudny do namierzenia i zniszczenia. Gepard zostanie zaprojektowany tak, aby mógł gwałtownie przyspieszać i równie gwałtownie się zatrzymywać.

W trakcie testów Big Dog przemieszczał się z prędkością 6,5 kilometra na godzinę, wspinał się po stokach o nachyleniu 35 stopni, poruszał się po gruzie, kamieniach, po błotnistym podłożu i śniegu z ładunkiem ważącym ponad 150 kilogramów. Testowany model pokonał 20 kilometrów bez zatrzymywania się i tankowania. LS3 będzie natomiast przenosił ładunki o ciężarze do 200 kilogramów na odległość ponad 30 kilometrów. Jego misja może trwać do 24 godzin.

Cezary Klukowski

Sródtytuły pochodzą od redakcji portalu INTERIA.PL.