Хотите шагающего 18-метрового робота? Измените законы физики

Учёные спорят о том, действительно ли самый большой в мире человекоподобный робот – гигантский Гандам, возвышающийся над японским портом Иокогама, – сделал свои первые шаги.

На японском пирсе Ямасита, примерно в 40 километрах к югу от Токио, появился самый большой в мире человекоподобный робот. Он создан по образцу RX-78-2 Gundam, вымышленного робота, который с 1979 года был предметом примерно 50 одноимённых телесериалов и манги. У этого гиганта высотой почти 20 метров 24 степени свободы. Это означает, что он может двигаться в любом направлении.

Однако преподаватели некоторых самых известных факультетов робототехники в США расходятся во мнении, можно ли вообще считать его ходячим роботом.

По-видимому, этот зверский робот – самый большой в мире двуногий шагающий робот. Он стал культовым элементом Йокогамы. 19 декабря прошлого года поклонники начали посещать эту выставку, которая включает в себя музей и кафе.

Но поскольку двигаться этому Гандаму, по-видимому, помогает опорная конструкция, американские робототехники считают его кинетической скульптурой или художественной инсталляцией, движение которой используется для создания некоторого эффекта у зрителя.

Gundam Factory Yokohama, организация, построившая робота, не ответила на многочисленные запросы в связи с этой историей.

Робототехники считают, что если бы робот такого размера действительно ходил, это было бы чудо инженерной мысли, ведь законы физики были бы доведены до своих логических крайностей. В частности, правила подобия диктуют целый ряд изменений в исполнительных механизмах (или двигателях), которые позволяли бы Гандаму поднимать ноги и делать большие шаги.

«Правила подобия означают, что если вы делаете что-то большее, то различные аспекты этого становятся больше или меньше по-разному», – объясняет Энди Руина, доктор философии, профессор машиностроения в Школе механики и аэрокосмической инженерии Корнельского университета Сибли.

Правила подобия применимы не только к робототехнике. Согласно закону Мура, количество транзисторов в кремниевой компьютерной микросхеме удваивается каждые два года по мере развития технологий. «Аллометрия, биологическое исследование взаимосвязи между размерами частей тела и размером всего тела, объясняет, почему муравьи могут перетаскивать груз примерно в 100 раз больше своего веса, а  люди – нет», – говорит Руина.

В случае с гигантским Гандамом двигатели, позволяющие огромному роботу двигаться, должны стать значительно мощнее, особенно если каркас выполнен из тяжёлого металла, например из стали. Однако большие двигатели также станут тяжелее и слабее в сравнении необходимыми крутящими моментами или вращательными силами. По словам Криса Аткесона, доктора философии, профессора Института робототехники Университета Карнеги-Меллона, масштабирование «неудачно».

Чтобы обойти эту парадигму, говорит он, инженеры могли бы попытаться создать двигатель совершенно нового типа. «В законах подобия предполагается, что технология всегда одна и та же… но вы можете изменить технологию так, чтобы она работала», – говорит Аткесон.

Математика законов подобия

Основные правила геометрии и физики, а также ограничения прочности материалов – одна из причин, по которой сложно создать роботов, способных шагать.

С ростом линейных размеров двумерные величины, например количество «кожи», нужное для покрытия робота, увеличивается квадратично. Трёхмерные величины, такие как масса, возрастают в степени три. Силы, обусловленные гравитацией, растут в степени три, а силы, обусловленные ускорением, – в степени четыре. Крутящие моменты, вызванные гравитацией, увеличиваются в степени четыре, а крутящие моменты, вызванные угловым ускорением, – в степени пять.

Следовательно, небольшое увеличение размеров приводит к более медленным движениям и необходимости в таких массивных двигателях.

Электрические двигатели, подобные тем, что используются в Gundam, состоят из магнитов двух видов для придания движения. Первый – это постоянный магнит, который часто изготавливают из материалов природного происхождения, таких как редкоземельные металлы. Такие магниты сохраняют свои магнитные свойства даже в отсутствие электрического тока или индуцирующего поля. Также есть электромагниты, в основе которых лежат катушки проволоки, которые действуют как магнит, когда через них проходит электрический ток.

При создании механической энергии двигатели полагаются на взаимодействие между постоянным магнитом и электромагнитом. Поскольку полярностью электромагнита управляет электричество, он вращается, поворачивая ось, которая может управлять ногой Гандама, например.

Чем сильнее такое вращательное движение, тем мощнее должен быть двигатель. Чтобы это произошло, инженеру потребовалось бы большее магнитное поле, объясняет Аткесон. Теоретически, говорит он, можно создать электромагнит размером с нейтронную звезду (сжатое ядро массивной сверхгигантской звезды), но на Земле имеются практические ограничения, поскольку существует предел степени намагничивания объекта.

Аппараты магнитно-резонансной томографии или МРТ как одни из самых сильных искусственных магнитов раздвигают эти границы. Итак, если бы инженеры смогли создать двигатели с мощностью аппарата МРТ, они почти наверняка смогли бы заставить колоссальный Гандам ходить. Конечно, возникают новые проблемы, а именно: в массу робота основной вклад дают 24 исполнительных механизма, необходимых для формирования 24 степеней свободы.

«Возникает чёрная дыра инженерных разработок, из-за которой, независимо от размера исполнительных механизмов, робот всё ещё слишком слаб, чтобы двигаться с желаемой скоростью», — сказал Аткесон. Отчасти поэтому шагающих роботов – и требуемые для них точные передвижения – сложно успешно спроектировать даже ведущим мировым экспертам в области робототехники.

Так что, возможно, этот гигант Гандам действительно не может ходить. По словам Аткесона, в любом случае это инженерное достижение, поскольку он достаточно жёсткий, чтобы двигаться без существенной вибрации. А с его огромными размерами, горящими глазами и способностью махать руками, это такой посол, которым гордилась бы любая страна.

Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля. Скидка только для хабравчан 50% по промокоду HABR.

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering