Развитие робототехники: от истоков до современности

Развитие робототехники - прикладная наука, занимающаяся созданием и использованием роботов, всевозможных систем автоматизации, которая возникла как результат слияния кибернетики и механики, имеет гораздо более долгую историю, чем может показаться.

Робототехника - это наука, где изучают принципы конструирования, создают роботов и управляют ими. Под словом «роботы» в данном случае подразумеваются автоматизированные системы и устройства. Они редко выглядят так, как все привыкли их себе представлять. В свою очередь, искусственным интеллектом называются встроенные системы, способные выполнять различные задачи - те, которые требуют формирования и применения логических цепочек. Встроенные датчики улавливают информацию извне и передают её роботу в виде понятных ему сигналов.

Рассмотрим основные этапы и тенденции развития этой захватывающей области.

Исторические корни робототехники

На самом деле развитие робототехники началось еще до нашей эры, когда Архит Тарентский в IV веке до н.э.
Даже в «Иллиаде» Гомер упоминает роботов: Гефест создавал механических служанок. В средние века популярностью пользовались автоматы, которые приводились в движение с помощью несложных механизмов, а также механические часы с фигурками людей.

Первый человекоподобный робот был сконструирован Леонардо да Винчи в 1495 году. Это был рыцарь, способный шевелить руками и вращать головой. К слову, в наше время ученым удалось создать реплику конструкции по эскизным чертежам. Но гораздо дальше всемирного гения продвинулся в XVIII веке механических дел мастер Жак де Вокансон, создавший уникальную утку, позже названную в его честь, а также играющего на флейте андроида, в числе умений коего было проигрывание 11 мелодий.

В XIII веке немецкий ученый Альберт Великий изобрел прототип первого андроида: металлическая фигура была ростом с человека и открывала дверь, когда в нее стучали. Над этим проектом он трудился 30 лет. Тем не менее тенденция к созданию человекоподобных моделей получила развитие: в XV немецкий механик Турианус собрал механическую куклу, играющую на флейте. Затем в Италии появилась девочка-робот, которая играла на цитре и танцевала, а в Германии появился роботизированный театр из маленьких фигурок пекаря, маляра и булочника. Кстати, Восток тоже не стоял на месте. Механики создавали роботов, умеющих писать, рисовать, играть на музыкальных инструментах. Однако все созданные модели подходили для развлечения и не выполняли практических задач.

К слову, сам термин "робот" был изобретен уже в XX веке. Что интересно, пришел он из литературы - в 1920 году писатель из Чехии Карел Чапек написал пьесу о производстве, выпускающем ненастоящих людей, где впервые было упомянуто это слово.

В 1805 году французский торговец Жозеф Мари Жаккар разработал автоматический станок, на котором производили ткани с заранее запрограммированным рисунком с помощью перфокарт. Ученые считают, что изобретение данного станка - важнейшее событие, которое наметило дальнейший технический прогресс. В середине XIX века российский ученый Семен Корсаков поставил задачу создания «умных» машин и описал свои первые работы, в которых использовал перфокарты как базы знаний.

Вместе с угасанием часового дела начал ослабевать и интерес к робототехнике, однако, полноценный интерес к робототехнике вернулся в XX веке вместе с развитием электротехники и электроники. Роль катализатора развития в этот период сыграла, как ни странно, литература.

Робот Леонардо да Винчи

Современная робототехника: ключевые этапы

Непосредственно история развития робототехники берет свое начало в 60-х годах ХХ века, когда на производстве General Motors впервые начали использоваться промышленные роботизированные манипуляторы от компании Unimation.

Так, с 1950-х годов началось активное внедрение на производство манипуляторов. Самые первые появились для атомных исследований, затем для глубоководной техники, металлургии и тд. Системы популярны до сих пор и постоянно совершенствуются: теперь манипуляторы доступны для домашнего использования.

Первый робот с зачатками искусственного интеллекта и зрения был создан в 1968 году и мог объезжать предметы, хотя был неустойчивым. Однако ученые говорят о появлении серьезной современной робототехники в 1970 году, когда «Луноход-1» успешно начал работать на поверхности Луны. В этот же период появились микропроцессорные системы управления, которые заменили специализированные блоки управления роботов на программируемые контроллеры. Это позволило уменьшить стоимость моделей в три раза.

Воплощением следующего этапа, чье влияние на развитие робототехники неоспоримо, стал робот-марсоход "Соджорнер", приземлившийся на Марсе в 1997 году. Он сыграл значительную роль в исследовании красной планеты.

В 1982 году в IBM разработали официальный язык для программирования робототехнических систем, а спустя два года компания Adept представила первый робот Scara с электроприводом. В 1986 году роботы были впервые применены в Чернобыле для очистки радиоактивных отходов. В конце века возродился интерес к андроидам. Появились модели, способные двигаться по лестнице и преодолевать другие препятствия, выполнять сложные манипуляции и вести диалог с человеком.

С тех пор ежегодно парк роботов начал возрастать в среднем на 20%. До 2000-х это были преимущественно промышленные роботы, после - сервисные.

Марсоход Sojourner

Современные направления и применение робототехники

Современная робототехника появилась лишь во второй половине XX века, так как именно в это время назрела необходимость роботов-машин, без которых невозможно развернуть комплексную роботизацию производства.

За последние 100 лет роботы претерпели существенные изменения и взошли на новый виток развития. Если раньше робототехника подразумевала создание механической конструкции, которая выполняла действия, подобные человеческим, то сегодня, робототехника - совсем другие технологии. Сами роботы давно переросли человеческие размеры (как в большую, так и в меньшую сторону) и расширили способности.

Робототехнику принято классифицировать по отраслям. Существуют строительное, медицинское, бытовое, промышленное, авиационное, экстремальное направления. В отдельную категорию выделяют мобильную робототехнику. Этот раздел науки занимается решением задач по быстрой перенастройке роботизированных устройств под конкретные цели. Например, один и тот же робот может собирать готовые изделия, выполнять сварочные или лакокрасочные работы.

Сочетание возможностей искусственного интеллекта с современными техническими разработками позволяет конструировать сложные устройства с управлением через ПО (программное обеспечение). Роботы оснащаются камерами, датчиками, лидарами, тепловизорами, манипуляторами, системами распознавания голоса, другими модулями. В зависимости от заложенной в машину программы техника способна работать в автономном режиме либо под контролем оператора. Используя алгоритмы машинного обучения, разработчики могут научить роботов успешно решать даже сложные задачи, в том числе недоступные для человека.

Робототехника даёт возможность разобраться во всех текущих тенденциях. Как минимум, это может стать полезным хобби; как максимум, поможет выбрать будущую профессию. Если вы хотите начать обучение уже сейчас, это можно сделать при помощи специальных конструкторов. На нашем сайте вы можете приобрести модели для домашнего использования и для образовательных учреждений.

Основные сферы применения робототехники:

• Промышленность
• Медицина
• Образование
• Космическая отрасль
• Сельское хозяйство

Во всех этих и многих других сферах сейчас активно используются достижения робототехники. Практически в каждом доме есть робот-пылесос или умная колонка, на производствах - автоматизированные технологические линии, в операционных - высокоточные хирургические системы. Появились беспилотные автомобили, гуманоидные устройства, многочисленные секции по программированию для детей.

В области медицины робототехника активно развивается во многих направлениях. Автоматизированные системы также применяются для проведения диагностических процедур, реабилитации после операций и травм, дезинфекции помещений, доставки пациентам лекарств. Для пожилых людей и имеющих особенности здоровья разработаны интерактивные компаньоны.

С каждым годом в мире появляется всё больше умных устройств. Так, современные биопринтеры позволяют создавать сложные биологические структуры для пересадки: кожу, сосуды, хрящи, внутренние органы. Такие устройства получили название сервисных роботов. Большинство из них имеет интерактивный дисплей, отображающий дружелюбные эмоции, а также встроенный голосовой модуль.

Промышленная робототехника - это область науки, отвечающая за разработку и создание роботизированных устройств для использования на производстве с целью замены ручного труда на автоматический. Основная функция робототехники - упростить работу человека и сделать его жизнь комфортнее.

Сейчас уже никого не удивишь игрушками с сервоприводом, автономными пылесосами и электронными консультантами в МФЦ. Гуманоидные роботы, раньше остававшиеся прерогативой писателей-фантастов, сейчас тоже стали привычной частью реальности. Данные устройства считаются наиболее перспективными и сложными среди всех существующих роботизированных платформ.

Развитие робототехники привело в том числе к появлению беспилотного транспорта. Роботизированные такси можно увидеть, например, в Сириусе, Иннополисе, Москве.

Основные характеристики современных роботов:

• Перемещение. Стационарные роботы должны иметь определённый охват действий. Самоходные - уметь перемещаться и сохранять устойчивость при движении.
• Ориентация в пространстве.
• Манипуляции.
• Коммуникация с человеком.
• Работа в связке с другими роботами.
• Обучение искусственного интеллекта.

Несмотря на перспективность всеобщей роботизации, повсеместное внедрение высоких технологий пока невозможно. Этому препятствует высокая стоимость инноваций и отсутствие соответствующей правовой базы.

Медицинский робот

Тенденции развития социальной робототехники

Количество людей с ограниченными возможностями и особыми физическими потребностями растёт с каждым годом. К счастью, с этой проблемой под силу справиться ассистивным роботам - это устройства, которые станут надёжными помощниками для людей с ограниченными возможностями, испытывающих трудности в выполнении простых задач. Новые технологии значительно улучшат качество жизни людей, требующих ежедневной поддержки, и помогут им стать более независимыми.

Но как далеко это светлое будущее, где роботы-ассистенты помогают людям? Или оно уже наступило? На эти вопросы ответила группа учёных под руководством Анны Юрьевной Гребенюк в рамках стратегического проекта НИУ ВШЭ «Успех и самостоятельность человека в меняющемся мире».

Для анализа наиболее значимых тем в сфере социальной робототехники учёные использовали систему iFORA, разработанную в Институте статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ. Она позволяет непрерывно собирать и обрабатывать большие объёмы данных, в частности отслеживать глобальные тренды научного сообщества. Нейросетевые модели в системе iFORA обучались на 750 миллионах документов, а основой исследования стали научные статьи и публикации в профильных СМИ о медицине и робототехнике за последние 5 лет.

Анализируя научные статьи и публикации в мировых медиа, исследователи выделили пять наиболее значимых тенденций в этой области:

1. Развитие ассистивных технологий, которые обеспечивают мобильность людей с физическими ограничениями, например, экзоскелеты, роботы-переносчики, кровати для перемещения и бионические протезы.
2. Распространение социальных роботов и роботов-компаньонов, которые могут стать надёжными партнёрами и друзьями для одиноких людей.
3. Технологии для ухода за пожилыми, такие как роботы-медсестры и устройства для доставки еды, уборки и готовки.
4. Роботы-помощники, которые выполняют широкий круг задач - от стрижки газонов до общения с людьми.

В частности, новая разработка - роботы-сиделки. Могут ухаживать за человеком и выполнять базовые медицинские манипуляции, отслеживать принятие лекарств, режим питания. Также сейчас планируется внедрять роботов для помощи медсёстрам. Этот проект развивается с 2019 года в разных направлениях. Роботов обучают общаться с пациентами и даже развлекать их.

«По итогам проведённых исследований было выяснено, что люди, требующие помощи специально обученного персонала, испытывают негативные эмоции из-за невозможности самостоятельно выполнять некоторые виды деятельности. Несмотря на ряд ограничений и барьеров, связанных с техническими, этическими и правовыми аспектами, социальная робототехника стремительно развивается, а роботы-ассистенты уже упрощают жизнь медицинским работникам и нуждающимся в помощи. Инновации и дальше будут внедряться непрерывно. Профессии в этой области востребованы уже сейчас, и эта тенденция продолжится.

Интересное и популярное направление - STEM-образование. Это особая программа обучения, в которой сочетается сразу несколько направлений. В частности, естественные науки переплетаются с математикой, инженерией и технологией. Школьникам интересен такой подход, и он даёт хорошие результаты.

В 2021 году был создан Moxie. Этот робот стал популярным, а его основная задача - общаться с маленькими детьми, чтобы привить им навыки общения и критического мышления. Этот робот пока рассчитан только на формирование базовых навыков. В дальнейшем наработки планируют использовать в более серьёзных целях: так, чтобы ребёнок мог обучаться при помощи автоматизированной системы - своеобразного друга.

Интересно, что можно не только пользоваться уже существующими достижениями, но и участвовать в процессе их создания. Не все знают, что у LEGO есть не только обычные конструкторы, но и другие, позволяющие собирать и программировать собственных роботов. Конечно, многие из них гораздо проще тех, которые сегодня предлагает рынок. Зато есть отлично разобраться в технологии - научить и собирать их, и программировать.

Перспективы развития и возможные риски

Довольно интересно отметить перспективы развития робототехники. По мнению экспертов, прогресс в этом направлении уже не остановить. Автоматизация промышленных предприятий сейчас идет полным ходом, и сегодня уже вполне нормальная ситуация, когда на заводе трудятся всего 20-30 человек, а вся работа выполняется машинами.

Более того: роботы заменят людей на многих рабочих местах.

Как роботы изменят рынок труда

Сейчас активно обсуждается роботизация хирургии. В частности, её планируют использовать в тех зонах, где нет возможности быстро попасть к врачу. Но, если проект будет успешным, сфера применения расширится.

В исследованиях роботам пока отведено мало места, но их уже начинают активно применять. Уже запущен проект Океанографического института WHOI. В промышленности автоматизированные системы применяются для того, чтобы уменьшить объёмы ручного труда. В частности, сегодня специалисты работают над заменой человека там, где много монотонной работы.

С самого начала запуска технологий с использованием роботов обсуждается, какими могут быть негативные последствия. Среди них:

• Замена труда человека
• Повышенное доверие к роботам. Во многих вопросах ответственность переложат на них. Это поднимает вопросы безопасности в случае сбоев.
• Несоблюдение этики. Зачастую системы общаются с человеком, причём уже как одушевлённые лица. Обучение их нормам - важный фактор.
• Манипуляции и эмоциональная связь. У некоторых людей возникает привязанность. В то же время есть те, кто опасается, что у систем сформируется собственный характер, и ему не будут чужды негативные черты.
• Убийства и вопросы военного применения. Люди нередко высказывают опасения относительно возможного создания роботов для убийств.
• Ответственность. О том, что робот может совершить ошибку, выше уже говорилось. По крайней мере, такая ситуация не исключена. Возникает вопрос, кто будет нести ответственность - юридическую и материальную.

Самая большая проблема, которая волнует многих на данный момент - это замещение человека. Это, действительно, неприятно. Однако нужно признать, что подобные «революции» уже были в истории, и не раз. Это прогресс, от которого никуда не уйти. И, как правило, он не приводил к тотальным проблемам в долгосрочной перспективе, а, наоборот, улучшал жизнь человека.

Сейчас есть возможность подготовиться к изменениям. Если вашу профессию может затронуть роботизация, лучше обучиться новой или изучить совершенствование текущей специальности с помощью роботов.

Улучшение систем, совершенствование, достижение новых уровней. Фактически - создание роботов с более высоким интеллектом. Применение систем в повседневной жизни. Улучшение медицины за счёт роботов.

Выше уже было сказано о популярных опасениях, которые полностью оправданы.

Примеры применения роботов в различных сферах

Рассмотрим несколько примеров применения роботов в различных сферах:

• Для уборки.
• Для приготовления еды. Не столь распространён, как предыдущий, но уже существует робот-повар.
• Для образования и развлечений. Чаще всего эти технологии используются для детей.
• Для ухода за больными и пожилыми людьми.

В таблице ниже представлены некоторые примеры применения роботов в различных отраслях:

Отрасль	Примеры применения роботов
Промышленность	Сборка, сварка, покраска, транспортировка
Медицина	Хирургия, диагностика, реабилитация, уход за пациентами
Сельское хозяйство	Посадка, сбор урожая, полив, обработка почвы
Логистика	Сортировка, упаковка, доставка товаров

Промышленные роботы