Цифровой журнал «Компьютерра» № 159 (full)

Рой летающих роботов: как устроены жутковатые аппараты из лаборатории GRASPОлег Парамонов

Опубликовано 08 февраля 2013

Роботы, слишком точно имитирующие живых существ, и роботы, которые ведут себя совершенно противоестественно, в равной степени привлекают внимание и отталкивают. К первой категории относятся механизмы, которые строит фирма Boston Dynamics: их чересчур «органические» движения производят пугающее впечатление. Хороший пример другой крайности — прошлогодние видео, которые показывают жутковатый рой миниатюрных квадролётов, движущихся с неправдоподобной быстротой и слаженностью.

Само по себе роение — это один из наиболее непонятных и несвойственных людям способов организации. Когда мы хотим навести порядок, то инстинктивно начинаем строить иерархии. Неудивительно, что роботы, подражающие муравьям или пчёлам, вызывают такие неоднозначные чувства — и одновременно массу вопросов.

Как устроены эти летающие роботы? В самом ли деле они автономны, или это иллюзия, и их управлением в действительности заведует единый центральный компьютер? Если движение каждого из них просчитывает одна программа, то мы наблюдаем не рой, а нечто вроде единого организма, который состоит из множества элементов, не имеющих механической связи между собой. Это тоже любопытный вариант, но любопытный совсем по-другому.

В отличие от информации о проектах Boston Dynamics, ведущихся на военные деньги и с военной же скрытностью, найти информацию о роящихся квадролётах не так уж трудно. Все необходимые сведения имеются в многочисленных научных работах, которые публикуют их создатели из лаборатории робототехники, автоматизации, очувствления и восприятия университета Пенсильвании (краткое название лаборатории — GRASP). Некоторые дополнительные подробности можно почерпнуть из записей их публичных выступлений и интервью.

При ближайшем рассмотрении оказывается, что миниатюрные квадролёты GRASP представляют собой весьма интересные устройства даже в том случае, если не принимать во внимание их коллективное поведение.

Весь механизм целиком, включая батарею и электронику, весит всего 73 грамма, то есть раза в полтора-два меньше, чем средний смартфон. При этом он умещается на ладони: диаметр каждого из четырёх пропеллеров составляет 8 сантиметров, а в сумме вся конструкция имеет в поперечнике 21 сантиметр.

Хранение энергии — едва ли не главная проблема, с которой сталкиваются создатели электрических квадролётов. Хотя на аккумуляторы, как правило, приходится до половины веса летательного аппарата, это не помогает. Даже с такими большими батареями небольшие квадролёты редко держатся в воздухе дольше пяти минут.

Конструкторы миниатюрных квадролётов GRASP добились в этой области относительно неплохих показателей. Источником энергии служит литий-полимерный аккумулятор ёмкостью 400 мА*ч, весящий 23 грамма. За счёт невысокого энергопотребления время автономной работы аппарата удалось довести до 11 минут.

Бортовой компьютер основан на процессоре ARM Cortex-M3 с тактовой частотой 700 МГц. Он обрабатывает информацию, поступающую с датчиков: трёхосного акселерометра, трёхосного же магентометра, барометра для измерения высоты и двух гироскопов, один из которых, двухосный, измеряет тангаж и крен, а другой, одноосный, измеряет рыскание устройства.

Нетрудно заметить, что все эти датчики сообщают лишь о перемещениях того квадролёта, на котором они установлены. Ни один из них не позволяет узнать, что происходит вокруг. Для этого необходима видеокамера или хотя бы дальномер, но их нет.

В GRASP имеются квадрокоптеры, снабжённые в дополнение к прочим датчикам ещё и камерой Kinect. Они способны самостоятельно построить трёхмерную картину своего окружения, но по очевидным причинам гораздо крупнее, чем те летающие роботы, о которых идёт речь в этой статье. Поскольку исследователей интересовала максимальная миниатюрность, им пришлось пойти на компромисс.

Миниатюрные квадролёты GRASP ориентируются в пространстве с помощью внешней системы захвата движения компании Vicon, которая установлена в лаборатории. Данные, которые она собирает, подвергаются первичной обработке на стационарной рабочей станции, а затем передаются квадролётам по беспроводному протоколу ZigBee. Обмен информацией между рабочей станцией и каждым роботом происходит сто раз в секунду.

Погоня за миниатюрностью имеет объяснение. Миниатюрные квадролёты отличаются почти сверхъестественной маневренностью. Именно она делает их движения настолько странными и неестественными. Аппарат совершает 360-градусный кувырок быстрее, чем за полсекунды, а за секунду он способен «прыгнуть» в сторону на ширину своего корпуса или совершить больше пяти оборотов вокруг одной из осей.

Видео, которые публиковали исследователи, наглядно показывают, что даёт такая маневренность. Стремительные прыжки и мгновенные изменения ориентации устройства позволяют выполнять трюки, которые были бы невозможными в другом случае — например, преодолевать узкие проёмы, на долю секунды наклонившись на 90 градусов.

Побочный эффект миниатюрности — исключительно низкая грузоподъёмность. Это она подтолкнула исследователей к экспериментам с коллективами роботов. Да, один маленький квадролёт слаб, но достаточно большая группа роботов справится с чем угодно. Когда профессор Виджай Кумар из лаборатории GRASP выступал на конференции TED, он проиллюстрировал эту идею видеороликом, показывающим муравьёв, которые совместными усилиями несут в муравейник груз, неподъёмный для любого из них по отдельности.

На TED Кумар рассказал, что для того, чтобы организовать совместную работу большого коллектива летающих роботов, следует руководствоваться тремя принципами. Во-первых, управление должно быть децентрализованным. Введение иерархии непозволительно усложнит и замедлит процесс. Подобно муравьям, роботам следует научиться обходиться без лидера. Во-вторых, роботы должны быть взаимозаменяемы и неотличимы друг от друга (принцип «анонимности»). В-третьих, они должны использовать лишь информацию, доступную локально.

Слаженное групповое поведение, которое на первый взгляд кажется невозможным без строгой организации, в действительности может быть полностью децентрализованным и неуправляемым. Знаменитое приложение Boids, разработанное специалистом по компьютерной графике Крейгом Рейнольдсом в 1986 году, демонстрирует это как нельзя лучше.

Каждый объект в Boids выбирает свой путь на основании трёх простых правил. Первое правило: держать дистанцию между собой и другим объектам. Второе правило: двигаться в том направлении, где находится ближайший объект. Третье правило: стремиться к центру массы группы ближайших объектов.

Результат: объекты на экране Boids самоорганизуются в подвижные группы, движущиеся поразительно похоже на настоящие стаи птиц или косяки рыб. Чуть доработанные алгоритмы Boids часто используют при изготовлении спецэффектов в кино, когда нужно изобразить правдоподобное поведение толпы людей.

Поскольку летающим роботам незачем имитировать стаи птиц, они могут обойтись ещё более простым алгоритмом. Чтобы не сталкиваться в полёте, они должны всего лишь поддерживать стабильную дистанцию между собой и другими роботами. Каждый из них в этом случае может выполнять свою задачу независимо и менять траекторию лишь при возникновении угрозы столкновения — маневренности как раз хватит.

Это, впрочем, теория. В GRASP ведутся исследования в области децентрализованного управления коллективами роботов (как летающих, так и наземных), однако миниатюрные квадролёты с видео используют принципы, перечисленные Виджеем Кумаром, далеко не в полной мере.

Согласно работе Towards A Swarm of Agile Micro Quadrotors, которую опубликовали в прошлом году Алекс Кушелев, Дэниел Меллингер и Виджай Кумар из лаборатории GRASP, коллектив летающих роботов на видео состоит из нескольких групп. Группы не связаны между собой и взаимодействуют децентрализованно, но внутри каждой из них царит жёсткая дисциплина.

В публикации обсуждается два способа организации групп, подходящих для разных ситуаций. Один вариант — полёт строем, когда роботы располагаются в определённом порядке, а затем повторяют все движения лидера. Другой вариант — полёт цепочкой, при котором лидер летит первым, а остальные следуют за ним с определённой задержкой. В обоих случаях необходимо просчитывать лишь траекторию лидера, что значительно упрощает дело.

Так насколько же автономны отдельные роботы, если дело обстоит именно так? Как объяснил Кумар в одном из интервью, централизованно задаётся стратегия, а определение тактики отдано на откуп отдельным роботам:

Судя по всему, рой миниатюрных летающих роботов вряд ли скоро покинет стены лабораторий. Полная зависимость от внешних датчиков и недостаточное время автономной работы ограничивает их полезность. Иными словами, пока это лишь интересный эксперимент — и только. Впрочем, любое изобретение начиналось с интересного эксперимента. Может, что-нибудь получится и на этот раз.

К оглавлению

Новая космическая гонка: современные космические программы Китая и ИндииАндрей Васильков

Опубликовано 07 февраля 2013

Долгое время лишь две страны в мире конкурировали за лидерство в космосе. Сейчас число активно развивающихся космических держав увеличилось до девяти (или одиннадцати, если считать вместе с мёртвыми душами и неподтверждёнными запусками). Свои космонавты есть у тридцати семи стран мира, а собственные спутники запустили пятьдесят государств. Впору говорить о новом витке космической гонки, в которой наиболее перспективными участниками выглядят Китай и Индия. В их программах есть целый набор неожиданных достижений и перспективных проектов.

Официально космическая программа в Китае стартовала в 1956 году. За четырнадцать лет при поддержке СССР были созданы необходимые производственные мощности. В 1970 году успешный запуск спутника «Дунфан Хун-1» приобщил Китай к списку космических держав.

Наиболее сложной задачей считается создание пилотируемого космического корабля. После длительного противостояния России (СССР) и США, Китай стал третьей страной, имеющей собственные пилотируемые космические корабли. 15 октября 2003 года первый китайский астронавт (тайконавт) Ян Ливэй совершил четырнадцать витков вокруг Земли за неполные сутки на китайской реплике российского космического корабля «Союз» – Шэньчжоу-5 и вернулся в спускаемом аппарате.

К 2013 году на обширной территории Китая было создано четыре космодрома с несколькими стартовыми площадками в каждом.

Цзюцюань известен как самый крупный (и до середины восьмидесятых – единственный) китайский космодром. Он был построен в 1958 году на севере Китая в автономном регионе Внутренняя Монголия. В настоящее время с него осуществляется запуск космических аппаратов всех типов, включая пилотируемые корабли серии Шэньчжоу.

Второй космодром – Сичан был введён в эксплуатацию в 1984 году. Спустя шесть лет после его открытия Китай начал предоставлять коммерческие услуги запуска иностранных космических аппаратов собственными ракетами-носителями серии CZ-3. Для собственных нужд с космодрома Сичан выводятся на орбиту спутники связи, а в 2013 году планируется отправить к Луне АМС «Чанъэ-3″.

Третий космодром – Тайюань (также известный как «База 25″) на северо-востоке Китая был построен в 1988 году. Его военное значение обуславливается испытанием межконтинентальных баллистических ракет различного базирования. В мирных целях он служит в основном для запуска метеорологических и научных спутников с их выводом на солнечно-синхронные орбиты.

Одна из наиболее амбициозных программ Китая – разработка тяжёлых ракет-носителей серии «Великий поход 5″ стартовала в 2001 году. Трехступенчатые ракеты CZ-5 длиной более 60 метров будут способны выводить на орбиту полезную нагрузку массой до 25 тонн. Первый запуск запланирован на 2014 год с космодрома Вэньчан, строительство которого завершается в 2013 году на острове Хайнань. Вэньчан станет четвертым и самым южным космодромом Китая.

В последние годы китайская космическая программа делает серьёзные успехи и уже практически не требует помощи иностранных специалистов.

С 2000 разрабатывается и уже используется национальная система спутниковой навигации Бэйдоу/Compass, работающая на частоте 1561 МГц. Завершение формирования спутниковой группировки и достижение расчётной мощности системы намечено на 2020 год. К концу 2012 года на орбиту было выведено шестнадцать спутников.

Параллельно финансируется ещё два крупномасштабных проекта. Китайская академия наук и университет Цинхуа завершают работу над собственной космической обсерваторией HXMT (Hard X-ray Modulation Telescope). Её планируется вывести на орбиту в 2014 – 2016 годах.

Осенью 2007 года АМС «Чанъэ-1″ выполнил облёт Луны и передал на Землю без малого полтора терабайта данных. Благодаря этому китайскому проекту впервые была получена полная объёмная карта Луны. В том же году у Китая появились первые ракеты для перехвата (уничтожения) спутников.

Вторая АМС Чанъэ-2 успешно выполнила научную миссию в 2010 году. Разрешение лунной карты повышено до 7 метров. Дополнительно была создана карта распределения элементов в лунной коре и сфотографирован с расстояния в три километра астероид Таутатис.

На вполне успеха в 2011 году Китай выполняет свою первую стыковку в космосе и превосходит США по количеству выполненных запусков. Полтора года спустя – 16 июня 2012 г. экипаж космического корабля «Шэньчжоу-9″ с первой женщиной-тайконавтом (Лю Ян) выполняет стыковку с китайской орбитальной станцией Тяньгун-1.

Если раньше космическая программа Китая была немыслима без участия России, то сейчас отечественный вклад трудно назвать удачным. Первый китайский зонд для исследования Марса «Инхо-1″ сгорел в атмосфере вместе с АМС «Фобос-Грунт» 15 января 2012 из-за отказа двигательной установки.

Китаем активно ведётся разработка гигантского солнечного телескопа (CGST) – самого крупного телескопа для наблюдений Солнца в инфракрасном и оптическом диапазоне. В качестве основной цели указывается изучение магнитного поля Солнца и феноменов его атмосферы с высоким разрешением. Расчётная стоимость составляет 90 млн. долларов. Строительство намечено на 2016 г.

Объёмы финансирования и амбиции Китая возрастают с каждым годом. К 2020 году в планах КНР постройка орбитальной станции (Тяньгун-1 фактически служит испытательным макетом), а в отдалённой, но вполне реалистичной перспективе — пилотируемые миссии на Луну и Марс.

Индия – шестая космическая держава, способная в ближайшие годы потеснить в космической гонке Японию и Евросоюз. Уже сейчас Индия самостоятельно выводит спутники связи на геостационарную орбиту, имеет возвращаемые космические аппараты и АМС, а также заключает международные контракты, предоставляя свои ракеты-носители и стартовые площадки.

В планах космического агентства Индии (ISRO) на ноябрь 2013 года намечена отправка собственного марсохода. Параллельно разрабатывается амбициозная концепция космической транспортной системы «Аватар».

Агентство ISRO образовано в 1969 г. путём поглощения Национального комитета по исследованию космического пространства. Свой первый спутник Ариабхата Индия построила и запустила при помощи Советского Союза в 1975 году. Однако уже спустя пять лет следующий спутиник – Рохини, был выведен на орбиту собственной ракетой-носителем SLV-3.

Впоследствии Индия разработала ещё два типа ракет-носителей для вывода спутников на полярную и геосинхронные орбиты. В 2008 году Индия отправляет к Луне с помощью ракеты PSLV-XL АМС «Чандраян-1″. Шесть из двенадцати научных приборов, размещённых на борту космического аппарата, были разработаны в ISRO.

Для выполнения национальной космической программы Индия активно использует суперкомпьютеры. На них выполняются задачи моделирования и отрабатываются наиболее успешные инженерные решения.

С 2012 года ISRO использует суперкомпьютер SAGA, являющийся самым мощным в Индии и входящий в первую сотню списка TOP 500. Суперкомпьютер построен на базе 640 ускорителей Nvidia Tesla и обеспечивает пиковую производительность до 394 терафлопс.

Помимо космической гонки, Индия принимает участие и в суперкомпьютерной. Последние инвестиции в создание сети петафлопсных суперкомпьютеров составляют миллиард долларов. Пока Индия не имеет собственной программы пилотируемых космических полётов, однако ISRO преисполнено решимости исправить ситуацию к 2016 году.

В своё время нам было трудно завоевать господство в космосе, но удержать его может оказаться ещё сложнее. Вчерашние отстающие страны сейчас имеют хорошие шансы завоевать утерянное ранее первенство. Китай обгоняет США, а Индия теснит Евросоюз. «Роскосмосу» хочется напомнить слова Льюиса Кэрролла: «…здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте!».

К оглавлению

Наземные боевые лазеры: от химии к волоконной оптикеАндрей Васильков

Опубликовано 06 февраля 2013

Концепция боевого применения лазеров прошла сложный путь от мертворождённых проектов стоимостью с годовой бюджет небольшой страны до плодотворных программ, помогающих достичь тактического преимущества малой ценой. После экспериментов с использованием многотонных рентгеновских и химических лазеров DARPA отдало приоритет развитию твердотельных и волоконных систем. Именно они рассматриваются в качестве перспективного вооружения всех родов войск. Современные боевые лазеры могут размещаться как в стационарных укреплениях, так и на мобильных платформах. За ними явно будущее, но что есть уже в настоящем и как это создавалось?

Одной из первых стационарных боевых систем с химическим лазером считается совместная американо-израильская THEL (Tactical High Energy Laser), также известная как «Наутилус». Её разработки велись с 1996 года, и уже к концу 1998 появились обнадёживающие результаты первых тестов.

Развитию помешало изменение концепции. Вместо мощной установки с постоянным размещением более выигрышным в тактическом плане посчитали создание мобильных комплексов. Так проект THEL получил приставку Mobile и превратился в MTHEL.

В ходе первых испытаний периода 2000 – 2001 годов лазер MTHEL на фториде дейтерия успешно перехватила в воздухе 5 артиллерийских снарядов и 28 реактивных снарядов РСЗО. Общее количество целей и процент успешно перехваченных официально не сообщался. Ориентировочная себестоимость выстрела превышала тысячу долларов.

После проведённой доработки по результатам дальнейших испытаний в августе 2004 г. MTHEL была признана пригодной для уничтожения миномётных снарядов противника и перехвата неуправляемых ракет малого (до 20 км) радиуса действия. Вся система была размером с шесть городских автобусов. Помимо самого лазера она включала в себя командный центр, РЛС, оптическую систему слежения и запасы топлива, исчисляемого тоннами.

К тому времени Израиль потратил уже 300 млн долларов и был вынужден отказаться от дальнейшего участия в программе по финансовым и политическим соображениям. Вместо «журавля в небе» правительство предпочло «синицу в руке». Израильские инвестиции были сосредоточены на развитии тактической системы ПРО «Железный купол» классического образца.

В настоящее время каждая такая установка обеспечивает защиту территории площадью 150 квадратных километров от поражения ракетами с дальностью до 70 километров. Вместо лазера батарея Iron Dome оснащена двадцатью ракетами-перехватчиками Tamir. Помимо ракет противника она может сбивать самолёты на высоте до 10 км.

На территорию США палестинские и какие-либо другие ракеты не падают, поэтому у Пентагона есть возможность заниматься долгосрочными военными программами без ущерба для национальной безопасности.

Проект MHTEL преобразовался в Skyguard и развивался компанией Northrop Grumman.

Летом 2007 года модернизация завершилась и система была выставлена на продажу. Взгляните на это рекламное видео, снятое на полгода раньше готовности к серийному производству.

Несмотря на красивую демонстрацию, первая в мире тактическая лазерная система ПРО уступала по характеристикам классическим и не имела опыта боевого применения. Видимо, от отчаяния её предлагали использовать даже в секторе гражданской авиации.

Необходимость защиты пассажирских самолётов от терактов с использованием ПЗРК такими средствами казалось абсурдной. За два года желающих купить Skyguard не нашлось, а после 2009 года химические лазеры уже стали восприниматься как тупиковая ветвь.

Опыт создания лазерной системы (M)THEL вобрала в себя следующая инициатива Пентагона – JHPSSL (Joint High Power Solid State Laser). В марте 2009 года Northrop Grumman удалось создать твердотельный лазер мощностью свыше 100 кВт. Получивший позже название EXCALIBUR, прототип совмещал семь модулей по 15 кВт. Испытания продолжались пять минут и служили простой демонстрацией возможности. Позже, в декабре 2010 года, система выдержала шестичасовую стрельбу.

Компания Boeing решила реабилитироваться в секторе лазерного вооружения после неудачи с программой YAL-1. Для этого принятый на вооружение зенитно-ракетный комплекс ближнего действия M1097 Avenger подвергли модернизации. На армейский внедорожник «Хамви» вместо двух транспортно-пусковых контейнеров с ракетами FIM-92 Stinger установили ИК-лазер. Зенитный пулемёт калибра .50 оставили как вспомогательное средство.

Первая проверка эффективности Avenger проходила в 2007 г. Тогда система успешно нейтрализовала образцы самодельных взрывных устройств и несколько неразорвавшихся боеприпасов – смотрите видео.

Достигнутая мощность была признана достаточной для разминирования. Её дальнейшее повышение позволило расширить спектр возможного применения. Испытания системы Avenger продолжились на полигоне Нью-Мексико в декабре 2008 года. Официально это считается первым случаем, когда боевой лазер киловаттной мощности успешно поразил БПЛА в небе. Импульс лазера выжег отверстие в корпусе дрона и повредил его систему управления.

Управление самим «лазерным мстителем» по своей простоте напоминает компьютерную игру, а отсутствие отдачи при стрельбе лучом лазера позволяет использовать систему даже на марше – смотрите ролик.

Более мощным аналогом Laser AVENGER для прикрытия сухопутных войск является система High Energy Laser Mobile Demonstrator. В рамках проекта создаётся твердотельный лазер мощностью 10 кВт, устанавливаемый на тяжёлом грузовике.

Этот мобильный зенитный (но уже не ракетный) комплекс обладает углом обзора 360°. Он предназначен для защиты больших площадей от поражения ракетами и артиллерийскими снарядами. Также ему под силу сбивать БПЛА противника на малых и средних высотах.

В октябре 2012 г. Boeing заявила о получении финансирования в размере 38 млн долларов на продолжение работ. В планах компании — оснастить армию США этой лазерной системой к 2018 году.

В отличие от химических, твердотельные и волоконные лазеры пока не способны передать такое же количество энергии в одном импульсе. Однако они обладают гораздо большей скорострельностью и ресурсом, не требуя перезаправки после десятка-другого выстрелов.

Системы на основе матриц их волоконных лазеров вдобавок отлично масштабируются. Прототип EXCALIBUR уже состоит из семи излучателей. Такая лазерная пушка сейчас может быть установлена не только на вертолёте или кораблях ВМФ, но и на бронетехнике. Несмотря на скептицизм и справедливую критику, боевые лазеры постепенно вытесняют кинетические системы поражения. Об этом явно свидетельствует возрастающий интерес Пентагона и возобновление финансирования таких проектов после долгой истории проб и ошибок.

К оглавлению

Бум домашних роботов начался, но будет не таким, как ждалиАндрей Письменный

Опубликовано 05 февраля 2013

Домашние роботизированные помощники успели прочно войти в нашу культуру как часть воображаемого прекрасного будущего. В пятидесятые и шестидесятые годы у многих не было никаких сомнений в том, что в новом тысячелетии роботы станут заниматься всей той рутиной, которую люди обычно считают неприятной и неинтересной.

С тех пор прошло время, и новые чудесные технологии действительно появились. Планшетные компьютеры, видеосвязь и ещё многие вещи, которые когда-то казались футуристичными, успели стать обыденностью. Зато отсутствуют две важные составляющие «будущего из прошлого» — летающие машины и домашние роботы. Но если с машинами всё более-менее понятно, то где же роботы? Большинство из тех технологий, что были нужны, уже есть, и мы то и дело видим ролики, в которых показывают нового андроида (или как минимум его часть). Ждать ли их появления в домах вообще когда-нибудь?

Проблемы, конечно, решены далеко не все. Во-первых, очевидно, механические части робота слишком дороги, особенно если мы говорим о таких устройствах, которые смогли бы спокойно ориентироваться в домах: не наталкиваться на предметы, ходить по лестницам и так далее. Но это даже не главное — проблема отсутствия «сильного искуственного интеллекта» куда важнее.

Вот, что пишет на эту тему профессор Гарри Маркус в статье, опубликованной журналом New Yorker: «Практически в каждом когда-либо созданном нами роботе, главной проблемой было обобщение и переход от лабораторных условий к реальному миру. Одно дело — научить робота складывать цветастое полотенце в пустой комнате, другое — сделать то же в квартире со всеми отвлекающими предметами, которые машина не может распознать».

Но самая интересная разница между предсказаниями будущего и реальностью обнаруживается, если взглянуть на то, какая техника уже доступна в наших домах. Тут вам и многопрограммные стиральные машины, и посудомойки, и кондиционеры, и микроволновые печи, — то есть множество изобретений, призванных упростить жизнь. При желании уже сейчас можно сделать себе автоматически открывающиеся и закрывающиеся окна, автоматизированное освещение и так далее. Всё это не требует наличия в доме человекоподобного робота-слуги с карикатурным носом-лампочкой, а комфорта даёт подчас даже больше.

Оказалось, что вопреки фантазиям, домашние роботы пошли по пути промышленных, которые не стали механическими людьми. Вместо этого их внешний вид полностью соответствует функции. Робопылесос Roomba — самое близкое к самостоятельному роботу-помощнику, что доступно сегодня. Но посмотрите на это создание: на что оно больше похоже — на пылесос или на человека?

Почему в прошлом веке представляли себе не пылесос, действующий самостоятельно, а замену человека с обычным пылесосом в руках, — это вопрос скорее о психологии, чем о технике. Мы же, чтобы разобраться, в каком направлении развивается и будет развиваться рынок домашних роботов, обратились за комментарием к Дмитрию Гришину, основатель венчурного фонда Grishin Robotics и председателю совета директоров Mail.Ru Group.

Несколько поколений людей выросли на научной фантастике середины прошлого века и долго ждали пришествия гуманоидных роботов, умнее человека и способных к автономному выполнению любых задач. Очевидно, этого не случилось, в силу большого количества причин. Но важный урок, который нужно извлечь из происшедшего – не факт, что все сделанные тогда прогнозы и спроектированные концепции были в корне неверными.

Вполне возможно, что, как произошло с бумом доткомов, многие вещи люди тогда поняли и предсказали правильно, но сильно ошиблись с временным горизонтом предсказаний. И, пожалуй, самое неудачное, что можно сделать в такой ситуации (как поступили многие инвесторы) – это закрыть для себя вопрос инвестирования в такие ниши раз и навсегда. Действительно, многие из переживших конец 90-х – начало 2000-х на интернет-рынке чисто психологически больше не смогли на него вернуться – но скорее, они от этого только проиграли.

Мир сильно изменился с тех пор, и персональная робототехника имеет уникальную возможность обратить себе на пользу большое количество достижений научно-технического прогресса, случившихся в других отраслях. Индустрия смартофонов предоставила дешёвые сенсоры, батареи и камеры в массовом производстве, а новые прорывные устройства, такие как Microsoft Kinect, сделали доступными сложные технологии вроде распознавания голоса и жестов широкой аудитории энтузиастов.

Такие разработки, как 3D-печать, радикально упростили, ускорили и удешевили процесс прототипирования и мелкосерийного производства новых продуктов. Наконец, индустрия компьютерных вычислений и интернет-рынок также не стояли на месте. Закон Мура продолжает работать и с каждым годом приносит все более мощные вычислительные микросхемы, занимающие все меньше места.

Уровень развития интернет-сервисов и подходов к работе с большими объёмами данных (то, что называется big data) открывает новые перспективы аутсорсинга роботами части функционала в «облако» вместе с возможностью постоянной загрузки новых данных, обновления программного обеспечения и т.д. Всего этого объективно не существовало несколько десятков лет назад.

Важно определиться ещё с двумя вещами – с ответом на вопрос, «что же такое робот», а также с тем, чего же мы действительно ждём. Антропоморфных механико-электронных гениев ждать не стоит – технологии ещё не развиты до такой степени, и попытка реализации продуктов в таком форм-факторе связана с неоправданными сложностями и быстро растущим уровнем затрат. И тот факт, что многие в индустрии робототехники по-прежнему тратят время, деньги и силы, чтобы реализовать свои детские мечты, вместо фокуса на создании практических устройств на базе уже существующих технологий, решающих реальные проблемы потребителей, сильно тормозит развитие рынка. Робототехнические продукты должны решать конкретные, осязаемые задачи, будут ли они при этом похожи на людей и называться роботами – совершенно непринципиально, важен результат.

Многие считают, что прошлый 2012 г. стал поворотным – рынок сам для себя только начинает осознавать происходящие изменения. В последующие два-три года я жду серьёзного роста и большого числа событий, которые во многом определят структуру и будущее рынка на много лет вперёд. Если говорить о конкретных примерах уже существующих сегодня устройств, помимо уже почти хрестоматийных пылесосов компании iRobot – я считаю так называемые connected devices и все, что называется модным сейчас словосочетанием «интернет вещей» также частью персональной робототехники, просто этот тренд идёт, что называется, с другой стороны, с интернет-рынка.

Повседневные устройства вокруг нас становятся все умнее, освобождая нас от рутинных и скучных задач, экономя время и деньги (как это делает, например, термостат Nest) – и с течением времени мы постепенно вообще перестанем их замечать. Из интересных разработок – например, я уже видел прототип робота, который аккуратно складывает белье после стирки. Или на недавнем CES 2013 был презентован робот-массажер – с виду простая, но сильная идея.

Из перспективных и активно развивающихся направлений – все что связано, действительно, с уходом за домом, с обучением; робототехника во многих ситуациях начинает дополнять или даже заменять учителей, а также выступать чрезвычайно полезным материалом для обучения математике, физике и другим точным и естественным дисциплинам.

Кроме того, уже сейчас в России, в ряде школ Санкт-Петербурга, проводится эксперимент, в рамках которого ученики, которые не могут по состоянию здоровья или в силу иных причин посещать занятия, присутствуют на уроках при помощи роботов, работающих на основе технологии телеприсутствия. Сами по себе эти технологии – огромное направление, они применимы во многих ситуациях, связанных, например, с безопасностью или просто с банальным желанием сэкономить круглую сумму на трансатлантических перелётах.

Автоматизация автомобилей – ещё одно перспективная ниша, которую я отношу к робототехнике, и Google вместе с традиционными производителями уже достиг в ней серьёзного прогресса. Беспилотные летающие устройства, в свою очередь, уже в скором времени могут радикально изменить рынки, связанные с видео- и фототрансляциями, доставкой небольших грузов и лекарств и т.д.

К оглавлению

Что будет после мультитача: три интерфейса будущегоОлег Парамонов

Опубликовано 04 февраля 2013

Представления об идеальном пользовательском интерфейсе легко отслеживать по кинофантастике. Пятьдесят лет назад считалось, что вычислительные машины будущего будут понимать человеческую речь (вспомните хотя бы кубриковскую «Космическую одиссею 2001«). Менее изобретательные, но более реалистичные фильмы изображали компьютерщиков, лихорадочно набирающих консольные команды на клавиатуре. В девяностые в моду вошла безумная виртуальная реальность, где самое простое действие оборачивается полётом в трёхмерном пространстве галлюциногенного вида.

Происхождение последнего интерфейсного эталона хорошо известно — это фильм «Особое мнение«, который вышел в 2002 году. Его действие происходит в недалёком будущем, и в какой-то момент главному герою приходится взаимодействовать с компьютером. Это не самая важная сцена фильма, но она произвела неизгладимое впечатление на публику. С тех пор любой необычный интерфейс, реальный или выдуманный, подлежал сравнению с «Особым мнением».

Людям, которые использовали компьютер в «Особом мнении», не требовались клавиатура, мышь или шлем виртуальной реальности. Объекты и документы, с которыми они работали, отображались на большом сенсорном дисплее, и пользователи могли передвигать и управлять ими, прикасаясь к их изображению на экране, будто они — это не горстка пикселей, а настоящие предметы.

Сейчас это описание уже не вызывает особого трепета. И не потому, что у кого-то появилась идея получше. Пять лет назад сенсорные дисплеи и мультитач, показанные в фильме, перестали быть экзотикой. Пресловутый интерфейс из «Особого мнения» теперь имеется у любого смартфона, у любого планшета, а в последнее время — ещё и у некоторых ноутбуков.

Мы, наконец, догнали и перегнали прогнозы футурологов, но это не значит, что на этом история развития пользовательских интерфейсов заканчивается.

Впрочем, прежде чем переходить к следующим этапам истории, нелишним было бы добраться до конца нынешнего. По мнению Джеффа Хана, мультитач в его современной форме — это хорошо, но недостаточно. А к мнению Хана в таких вопросах стоит прислушиваться. Он один из тех, кто как раз и придумал мультитач в его современной форме.

В самом начале 2006 года Джефф Хан продемонстрировал на конференции TED мультитач-интерфейс, который он разработал в Нью-йоркском университете. До появления iPhone или сенсорного стола Microsoft Surface оставалось больше года, поэтому презентация Хана стала едва ли не первой общеизвестной реализацией этой идеи.

Вскоре компания Perceptive Pixel, которую основал Хан, была приобретена Microsoft. Вопреки ожиданиям, компания влилась не в исследовательский центр Microsoft Research, занимающийся перспективными исследованиями, а в подразделение компании, разрабатывающее приложения Office. В этом есть определённая логика, ведь мультитач — уже не будущее.

Тем не менее, его потенциал пока раскрыт не до конца. Хан считает, что ещё остались важные направления развития, на которые стоит обратить внимания. Во-первых, большие и очень большие мультитач-дисплеи, с которыми можно взаимодействовать не одному, а нескольким пользователям сразу. Во-вторых, одновременное использование мультитача и пера.

Если с первым всё и так ясно, то второе заслуживает более подробного объяснения. По мнению Хана, человеческие пальцы — это всё же слишком грубый инструмент, подходящий далеко не для всего. Манипулировать контентом — да, лучше варианта, чем пальцы, тут не придумать. А вот для того, чтобы писать или рисовать, лучше найти кое-что поточнее — например, перо.

Отличие идеи Хана от прежних перьевых интерфейсов, не выдержавших конкуренции с тачскринами, заключается в том, что перо тут используется лишь в качестве пера. То же, что удобнее делать пальцами, — например, перемещать окна или нажимать на кнопки, — можно делать пальцами. Хан демонстрирует такой интерфейс на сенсорном столе: левой рукой он двигает и масштабирует документы, а пометки и надписи ставит на них пером, сжимаемым в правой руке. Процесс выглядит действительно очень естественно.

Планшеты, чувствительные и к прикосновению, и к перу, уже существуют (их выпускает, к примеру, Samsung), но они не совсем соответствуют тому, что нужно Хану. Во-первых, для двуручного использования они всё же мелковаты. Во-вторых, перо блокирует регистрацию касаний пальцами. В-третьих, любой современный перьевой интерфейс реагирует на перо на долю секунды медленнее, чем следовало бы. Задержка мизерна, но как ни странно, при небольшой привычке очень заметна и неприятна.

Впрочем, очевидно, что все эти проблемы при необходимости можно решить. Одновременное использование пера и мультитача — это сама простая из всех идей, о которых пойдёт речь в этой статье. С другими дело обстоит куда сложнее.

Помните, на что все жаловались, когда появились первые «айфоны»? На отсутствие у телефона Apple физических кнопок, которые до того имелись почти у всех мобильных телефонов. Конечно, в итоге выяснилось, что у тачскринов есть свои плюсы, которые в большинстве случаев перевешивают минусы. Проблема ушла на второй план, но не перестала быть проблемой.

Отсутствие тактильной обратной связи не делает взаимодействие невозможным, но сильнейшим образом обедняет его. Мы можем управлять объектами на экране, но не можем по-настоящему прикоснуться к ним.

Лучше всего о порочности такой ситуации сказал Брет Виктор — талантливый специалист по интерфейсам, в прошлом работавший в Apple и участвовавший в разработке экспериментальных интерфейсов для iPad и iPod nano. Он называет современные мультитач-интерфейсы «картинками под стеклом»:

Выход, очевидно, в том, чтобы избавиться от стекла, но это проще сказать, чем сделать. У Брета Виктора нет готового рецепта: он указывает на исследования, которые ведутся в области гаптических технологий, но тут же признаёт, что они далеки от совершенства.

Гаптические технологии служат для того, чтобы вызывать у пользователя определённые тактильные ощущения. Вибрация смартфона, работающего под управлением Android, при нажатии на экран, — это образец грубой гаптической технологии, которая применяется сейчас. Хотелось бы перейти от них к, например, дисплеям, который позволяет ощутить рельефность изображённых на нём объектов, но как?

В 2012 году Apple запатентовала конструкцию дисплея, который, снабжён парой дополнительный слоев: один заполнен жидкостью, обладающей магнитными свойствами, а другой представляет собой матрицу миниатюрных электромагнитов. Активация определённых магнитов притягивает жидкость в нужное место, и форма поверхности дисплея чуть-чуть меняется. Этого «чуть-чуть», впрочем, достаточно для того, чтобы почувствовать, например, нажатие на кнопку.

Компания Senseg пытается достичь похожего эффекта без механического изменения формы поверхности дисплея. Вместо магнитов и ферромагнитной жидкости дисплей покрыт сеткой электродов — так называемых тикселей (тиксель — сокращённая форма словосочетания «тактильный пикселей»). Меняя электрический заряд на тикселях, можно упрощать или затруднять скольжение пальца по ним. В результате возникает иллюзия того, что плоская поверхность имеет текстуру и даже форму. Вопрос только в том, насколько близка эта иллюзия к реальным ощущениям.

Кто-то подметил, что с каждым поколением компьютеров пользовательские интерфейсы становятся всё непосредственнее. От команд, вводимых с помощью клавиатуры, мы перешли к графическому интерфейсу, где объекты, которыми приходится оперировать, можно видеть собственными глазами, но взаимодействовать с ними напрямую всё ещё нельзя. Для этого требуется ещё один объект — стрелка, повторяющая движения компьютерной мыши.

Сенсорные экраны устранили лишнее звено в этой цепочке: теперь на нарисованную кнопку можно нажать своим собственным пальцем. Однако она по-прежнему остаётся нарисованной. Гаптические технологии способны придать им реалистичности, но это полумеры. А что дальше?

А дальше разница между «тут», перед экраном, и «там», за стеклом, должна исчезнуть. От управления пикселями на экране, складывающимися в метафоры пользовательского интерфейса, мы вернёмся к естественному взаимодействию с реальными предметами, не требующему метафор. Только на этот раз эти предметы будут зависеть от и влиять на информацию в компьютере.

Интерфейсы, построенные на таком принципе, называют материальными (tangible). Исследования в этой области ведутся с конца девяностых годов прошлого века, и не без успеха — элементы материальных интерфейсов можно найти повсюду. Простейший пример: переключение ориентации экрана в смартфонах и планшетах.

Традиционный интерфейс, решающий эту задачу — это специальная кнопка, которую нужно нажать, чтобы содержимое экрана повернулось. Чтобы использовать такой интерфейс, пользователь должен знать о существовании кнопки и её назначении.

Материальный интерфейс не требует кнопок. Ориентация дисплея меняется автоматически, когда встроенный акселерометр чувствует, что устройство повернули. Командой, влияющей на состояние компьютера, становится сам поворот устройства — прямое и естественное взаимодействие с предметом, которому не нужно обучать.

Образцом более сложного материального интерфейса может служить прототип под названием PaperTab, который продемонстрировала на минувшем CES компания Plastic Logic. На столе перед пользователем PaperTab лежит несколько листов гибкой электронной бумаги, отображающих различные документы. Компьютер, с которым он работает — это не каждый лист по отдельности, а вся конструкция в сумме.

Каждый лист можно сравнить с окном на экране дисплея. Листы в центре стола — это документы, листы на краю — списки документов или приложений. Прикоснувшись одним листом к другому, можно копировать документы. Чтобы рассмотреть крупный документ получше, необходимо положить несколько листов рядом: его содержимое заполнит всю их площадь.

PaperTab далеко не идеален. Он не похож на систему, на которую хотелось бы променять привычный десктоп, но это недостаток, свойственный прототипам подобного рода. Тем не менее, главное ясно даже из этого видео: для управления PaperTab используются не кнопки и меню, а естественное взаимодействие с предметами на столе.

***

Новые интерфейсы не заменят клавиатуру и мышь, используемые с персональными компьютерами. Как и сенсорные экраны, они лишь дополнят их или — это даже вероятнее — будут применяться в устройствах, которые пока не существуют.

Каких? Кто знает. С уверенностью можно сказать только одно: в кино наподобие «Особого мнения» они не попадут. Им, в отличие от мультитача, недостаёт зрелищности. И это, если вдуматься, хорошо: чем менее заметными станут интерфейсы, тем лучше.

К оглавлению