Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Дело было не в ограничениях конструкции «Данте II», которая на тот момент являлась суперсовременной. Робототехника с давних времен страдала от неспособности машин адаптироваться к сложным условиям среды. Какой-нибудь робот, с легкостью преодолевающий обстановку смоделированного офиса, где мебель имитируется простыми геометрическими фигурами, полностью теряется, оказавшись в сложной обстановке реального офиса.

Но время шло, и появлялись новые стратегии. Когда «Данте II» упал, специалисты по робототехнике как раз пробовали новый подход к конструированию машин; вдохновение в этом новом подходе они черпали из природы, ориентируясь на биологические системы. Эволюция давно уже решила многие из задач, которыми занимаются сегодня создатели роботов, поэтому естественно было обратиться за готовыми решениями к продуктам эволюции. Насекомое, к примеру, может иметь почти такую же форму, что и «Данте II», но при этом оно способно преодолевать чрезвычайно сложный рельеф и даже адаптироваться к потере одной или нескольких конечностей. И любому роботу, предназначенному для функционирования в опасной среде, придется научиться имитировать такое умение. Возникшее при этом новое поле исследований на стыке биологии и робототехники получило название биоробототехника , и падающая кошка стала важным объектом исследований в этой новой области. Оказалось, кстати говоря, что рефлексивное переворачивание кошки роботам необычайно сложно имитировать.

Биоробототехнику можно условно разделить на две подобласти — два поля исследований {3} . Первое — это робототехника, вдохновляемая биологическими идеями ; в ней биологические системы изучаются с целью создания новых роботов. Вторая — биоробототехническое моделирование , при котором роботизированные модели животных конструируются для того, чтобы лучше разобраться в биологии животных.

Обе эти стратегии существовали задолго до того, как в оборот было пущено слово робот , даже раньше, чем человеку удалось обуздать электричество и создать первые электрические машины. Автор первых фотографий падающей кошки Этьен-Жюль Марей, к примеру, делал механические модели системы кровообращения, летающих насекомых и птиц. Он использовал эти схемы , как он их называл, для того чтобы понять, как животные живут и двигаются.

По иронии судьбы первую механическую модель падающей кошки — хотя и очень грубую — изготовил в 1894 г. Марсель Депре, который поначалу яростнее всех возражал против кошачьих фотографий Марея. Согласившись в конечном итоге с точкой зрения Марея, Депре опубликовал статью, в которой описал свое устройство {4} .

Плоский диск свободно подвешен на веревке и висит горизонтально. В поверхности диска вырезаны две кольцевые выемки, в каждой из которых находятся пружинка и металлический шарик, который она может толкнуть. Обе пружинки сжаты и сдерживаются нитями. Когда нити пережигают и тем самым освобождают пружинки, оба шарика запускаются по выемкам, проходят полный круг и оказываются в итоге в том же месте, откуда стартовали. Шарики движутся в одном направлении, и по закону сохранения момента импульса весь диск должен повернуться на какой-то угол в противоположном направлении. Однако поворота диска на полные 360º не произойдет, потому что он намного тяжелее шариков. В результате система окажется в том же внутреннем состоянии, с какого начинала, — мы пренебрежем небольшим изменением, связанным со сжатием пружин, — но повернутой на некоторый конечный угол. В эксперименте Депре устройство повернулось на 40º. Эта система, утверждал он, аналогична кошке, поскольку кошка тоже использует внутреннее движение, чтобы в конечном итоге развернуться в противоположную сторону, несмотря на то что в конце ее тело имеет ту же форму, что и в начале.

Кошачья модель Депре — хороший прибор бионического моделирования; исследователь использовал механическую модель, чтобы объяснить свое решение задачи о падающей кошке. Примером другого типа биоробототехники, черпающей вдохновение из природы, можно назвать «парового человека» Джорджа Мура, изобретенного примерно в это же время.

Человечество давно мечтало о создании автоматов — машин, способных двигаться и вести себя подобно живым существам. Эти автоматы можно рассматривать как предтечи современных роботов. «Паровой человек» Мура, описанный в журнале Scientific American в 1893 г., представлял собой мощный и потенциально взрывоопасный автомат в форме человека, способный шагать со скоростью 6–8 км/ч {5} .

«Паровой человек», сделанный внешне похожим на марширующего рыцаря, двигался за счет размещенного в его груди парового котла; отработанный пар выходил у него через нос. Пар двигал передаточный механизм, который заставлял рыцаря шагать. Приведенные в журнале рисунки, однако, обманчивы, поскольку на них не показан горизонтальный стержень, на котором был установлен «паровой человек»; этот стержень был закреплен на вращающейся платформе. «Паровой человек» ходил кругами, и стержень не давал ему упасть.

Но Джордж Мур сконструировал свой автомат не просто для шоу. Как писал Scientific American , его амбиции были намного серьезнее:

На протяжении последних восьми лет изобретатель работает над более крупной моделью «парового человека», который, он надеется, вступит в действие уже в нынешнем году. Новая модель предназначена для открытых улиц и будет тянуть за собой фургон с музыкантами. В верхней части фигуры мы обозначаем метод крепления к фургону, принятый нами. Посредством длинной пружины на боку фигуры обеспечивается эластичное соединение, так что весом своим фигура всегда будет опираться на землю.

Если «паровой человек» Мура показывает, что человечество издавна было очаровано возможностью искусственной жизни, то он демонстрирует также, что одновременно человечество боялось этой возможности. Как и планировалось, после представления Мур сделал свой автомат более мобильным, но не все пошло по плану, как доложила в 1901 г. газета Washington Standard :

«Геркулес, Железный Человек» — это паровой механический шагающий человек, выставленный на одном из летних курортов в Кливленде (штат Огайо). Он 2,5 м роста, и, когда внутри него горит нефть и вырабатывается пар, он ходит вокруг, толкая своеобразную тележку на железных колесах. Он одет в цилиндр, носит на лице дьявольскую усмешку и выпускает отработанный пар через ноздри. Как-то поздно вечером кто-то из отдыхающих, стоявших в парке лагерем, разжег огонь в «Геркулесе» уже после того, как курорт был закрыт и владелец «Геркулеса» ушел. Когда огонь в нем гасили на ночь, клапан оставили открытым, и теперь, когда пар в «Геркулесе» поднялся, он зашагал и начал бродить по парку. Какое-то время он производил впечатление посильнее франкенштейновского монстра.