Как рыба в воде
Могут ли биоморфные роботы превзойти своих природных прототипов
В Балтийском федеральном университете им. И. Канта изучают возможности и перспективы создания водоплавающих биороботов, чтобы направить природные способности животных на службу технического прогресса. Как научная проблематика объединила физиков и биологов, что сможет дрон, обладающий нервной системой саламандры или рыбы, и как в этой работе помогает искусственный интеллект, «Ъ-Науке» рассказывает главный научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и искусственного интеллекта БФУ, доктор физико-математических наук, профессор Александр Храмов.
Фото: Майя Жинкина, Коммерсантъ
Фото: Майя Жинкина, Коммерсантъ
— Для чего может быть полезно изучение механизма плавания водных существ?
— Первый аспект — биофизический, когда ученые пытаются разобраться в механизмах, как живой организм управляет собой в водной среде. Этим занимаются биологи, изучают, как меняется гидродинамика движения рыбы или амфибии в зависимости от скорости течения, температуры окружающей среды, окружающей обстановки и многих других факторов, чтобы животное могло максимально эффективно достичь своих целей — например, поймать добычу или спрятаться. Это такой фундаментальный интерес понимания того, как устроена природа живых организмов, как они принимают решения и реализуют их, используя свои возможности.
А второй аспект — практический. Ученые могут использовать найденные знания о биофизике живых организмов к каким-то техническим устройствам — например, создавать биоморфных подводных роботов, дронов-амфибий, которые могут двигаться в разных средах. Математические модели создаются на основе данных, которые публикуют коллеги-биологи. Например, на основе таких моделей несколько лет назад в рамках гранта Российского научного фонда, которым руководил у нас в БФУ доктор физико-математических наук Сергей Лобов, было создано несколько рыб-роботов. Сначала в цифровом виде, а затем и «в железе» — наши роботы-тунцы плавали в бассейне, и на них отрабатывалась гидродинамика движений, изучалась энергоэффективность, бесшумность и т. п.
В дальнейшем такой робот-тунец может быть использован для получения фундаментальных знаний о биомеханике движения живых подводных организмов, по каким алгоритмам происходит принятие ими тех или иных решений. Но не только. У проекта есть и довольно перспективное практическое значение. Например, в перспективе такой робот может стать лидером стаи рыб и увести косяк подальше от разлива нефти или другого техногенного катаклизма.
— Какие водные животные больше всего интересны в качестве прототипов для роботов?
— Самый интересный и перспективный объект, если речь идет о подводных роботах,— это рыба. Она максимально приспособлена к существованию в водной среде и отличается очень низким энергопотреблением. Рыба имеет большое количество органов чувств, анализирующих окружающее пространство и посылающих определенные сигналы мозгу. А он, в свою очередь, заставляет тело животного по-разному вести себя в зависимости от силы течения, содержания кислорода в воде и появления опасности. Пока рассчитать все закономерности поведения рыбы — задача слишком широкая, имеющихся технологий не хватает. Но кое-что нам уже удалось сделать. В первую очередь значительно снизить энергопотребление робота за счет того, что был правильно подобран ритм движения хвоста рыбы. Природные механизмы дают возможность при определенной мощности увеличивать, например, скорость и время работы устройства. Это интересно для систем, которые анализируют данные со дна водоема, проводят съемку объектов под водой и т. д.
Для совершенствования устройств, которые могли бы работать в разных средах, наиболее интересны амфибии, например саламандры, которые могут легко переключаться: бегут по земле, а попадая в воду, тут же начинают плыть. Это изменение поведения описывается так называемым центральным генератором ритмов или паттернов (CPG). Нервная система анализирует сенсорную информацию и дает команды мышцам животного, которое совершает определенные движения. Если мы поймем, как это происходит, то сможем закладывать такие паттерны нашему роботу и оптимизировать его энергетические и другие характеристики, делать устройство, одинаково хорошо чувствующее себя в разных средах — воде и на суше.
— Какие уже сейчас есть биоморфные водоплавающие роботы?
— Их огромное количество. Исследователи идут двумя путями. Первый — моделирование в специальных цифровых средах виртуальных двойников, так называемых аниматов, и изучение на них специфики движения и поведения природных организмов.
Второй путь — создание настоящих роботов, которые обладают свойствами водоплавающих организмов.
В мире уже существует целый класс роботов, которые симулируют движение рыб, туда входит и наш робот-тунец. Еще один очень популярный объект — робот-змея.
Надо сказать, что пока все эти системы все-таки больше имеют отношение к фундаментальной науке. Но и для выхода на прикладной уровень есть определенные предпосылки. Например, если ученые, создающие биоморфных роботов, смогут доказать, что такие системы обладают преимуществом по сравнению с классическими роботами, плюсы которых очевидны: стандартные технологии и понятное управление. Недостатки у них тоже есть. Обычный робот — к примеру, подводный дрон — легко вычисляется по гидроакустике: шуму, который издает его гребной винт или водометный двигатель, колебаниям воды за счет обтекания корпуса при движении и т. п. Такое устройство невозможно использовать для задач, связанных с экологическими исследованиями, например, косяков рыб, где необходимо замаскировать технику так, чтобы подводные обитатели не пугались и не могли ее обнаружить.
Предварительные результаты исследований динамики движения водных существ показывают, что природа «работает» с более энергоэффективными технологиями. Но если переносить их на биоморфных роботов, то придется разрабатывать очень сложную систему управления, которая строится на принципах высшей нервной деятельности. Ведь для того, чтобы управлять движениями, живое существо тратит до половины всех ресурсов своего мозга. А таких технических возможностей у современной науки пока нет. Сейчас перед учеными, занимающимися биоморфными роботами, стоит основная задача — создание адекватных моделей центральных генераторов паттернов. Если они будут реализованы, проблема управления такими устройствами будет в значительной мере решена.
— С какими сложностями сталкиваются ученые, создавая биоморфных роботов, повторяющих движения водоплавающих?
— Первая сложность в том, что нужно работать параллельно с техническими и биологическими объектами. Это достаточно сложно, а порой и дорого, к тому же нужны специальные компетенции и технологии регистрации двигательной активности существа в воде, понимать, как происходит управление движением, и давать нужные стимулы рыбе. Это сложные научные задачи, которые непросто решить даже в рамках современного технологического уровня и при высоком уровне финансирования.
Вторая проблема заключается в понимании, для чего мы это делаем, какой у этих исследований на стыке биологии и робототехники прикладной интерес. Я до конца его не вижу. Потому что, если ученые утверждают, что у биоморфного робота лучше энергетика, они должны это доказать. А для доказательства требуется огромная техническая база: различные устройства, схемы, методики сравнения. И это опять же очень дорого и сложно.
Так что пока мы находимся на этапе фундаментальных исследований. Большой интерес к биоморфным робототехническим конструкциям очевиден. А раз он есть, то рано или поздно появятся и возможности для прикладного использования.
— Как в работе с биоморфными роботами помогает искусственный интеллект?
— Искусственный интеллект позволяет создавать эффективные системы управления, математические модели. Когда любое животное — и человек, и рыба, и медуза — обрабатывает информацию, оно, по сути, делает это по законам того самого ИИ. Мы вычленяем нужную информацию, анализируем и принимаем решения. Физиологи назовут это условным рефлексом, а с точки зрения ИТ-специалиста, мозг любого существа — это обученные нейросети, которые берут на себя обязанность выбрать стратегию и следовать ей. Поэтому современные устройства, если они не управляются оператором, невозможны без элементов машинного обучения и искусственного интеллекта.
— Можно ли в принципе создать робота, который будет двигаться в воде лучше живого существа или хотя бы так же?
— Пока это очень сложно сделать. Тут весь вопрос в том, что значит «лучше». Это вопрос задания целевой функции. Мы можем сделать робота более быстрым, чем рыба. Но тогда у него, скорее всего, будет больше энергопотребление, и в этом плане он будет хуже. Несомненно, какие-то аспекты можно превзойти. Компьютер однозначно превосходит человека, например, если надо перемножить большие числа. А если необходимо выбрать какую-то стратегию, принять некое интеллектуальное решение, то пока человек это делает лучше компьютера.
Понадобились сотни миллионов лет, чтобы рыбы стали такими совершенными существами, идеально приспособленными к жизни в воде, какие они сейчас. Конечно, эволюция технических устройств идет быстрее, но мы только в начале пути, поэтому было бы очень самонадеянно утверждать, что наши устройства смогут превзойти творения природы в ближайшем будущем. Но это не повод опускать руки, а, наоборот, огромный стимул и вызов к дальнейшему совершенствованию наших знаний о биологии водоплавающих существ и одновременно к решению инженерных и технических задач робототехники и систем искусственного интеллекта.