Изобретение автоматов и роботов

Слово «автомат» в переводе с греческого означает самодвижущийся. Так называется механическое или электромеханическое устройство, способное без помощи мускульной силы человека или животного выполнять действие или цикл действий, производя при этом полезную работу. Автомат не синонимичен аппарату, который представляет собой любое техническое средство, оборудование, в т. ч. и неавтоматическое. Древние греки явились создателями первых самодвижущихся приспособлений.

Наиболее ранний автомат в истории человечества — это, видимо, водяное колесо. Оно приводилось в движение речным потоком и в результате этого выполняло какую-нибудь простейшую работу. Знаменитые александрийские механики и геометры создавали более хитроумные приспособления, которые, однако, не нашли практического применения. Преимущественно это были механические игрушки, очень популярные в античности. Некоторые автоматы устанавливались в храмах, где открывали двери или приводили в движение статуи богов.

Самым прославленным создателем игрушек и прочих автоматов эпохи эллинизма был изобретатель Герон Александрийский (III в. до н. э.). После падения Рима интерес к механике надолго пропадает, только удобное водяное колесо сохранилось с античности. Оно все чаще применяется в водяных мельницах. Ветряные мельницы появляются в Европе в X–XI вв., а наибольшее их распространение приходится на время последних крестовых походов на Восток. Ветряную мельницу тоже допустимо рассматривать в качестве автомата.

Новый виток развития принесло позднее средневековье, когда в эпоху первого промышленного переворота механические приспособления получили широкое распространение. Ткацкие станки, часы, музыкальные и прочие устройства представляли собой примитивные механизмы, предназначенные для выполнения работы в автоматическом или, чаще всего, полуавтоматическом режимах. Конструирование полуавтоматических станков началось в XVI столетии. Действие этих устройств по большей части контролировалось работниками.

Обслуживающий персонал приводил станки в действие.

Шарманку по праву можно считать первым механическим устройством, работавшим по заданному алгоритму (программе).

Известно, что мелодия в шарманке извлекается благодаря вращению металлического диска с штырьками. Эти штырьки перемещались по кругу и определенным образом воздействовали на механизм шарманки. Воздействие было как бы запрограммировано, т. е. представляло собой алгоритм, осуществление которого давало звучание одной последовательности нот, а не другой.

Первоначально шарманки играли только одну мелодию — песенку «Шарман Катарина» («Милая Катарина»), отсюда и происходит их название. Музыкальные шкатулки и часы с мелодией также основаны на этом принципе. Впоследствии мастера по изготовлению шарманок догадались использовать сменные металлические диски. Меняя отыгравший диск на новый, музыкант-шарманщик менял тем самым мелодию. Дело в том, что на новом диске штырьки имели уже совершенно иное расположение, т. е. иначе воздействовали на механизм шарманки. Алгоритм менялся, что и приводило к смене режима работы.

Механические часы являются самым настоящим автоматом. За счет завода они показывали время, отбивали каждый час, играли мелодии. Наиболее удачным автоматом такого рода следует назвать маятниковые часы. Они были изобретены X. Гюйгенсом во второй половине XVII в.

Эпоха настоящей автоматики началась только после постройки паровой машины Дж. Уаттом, поскольку его устройство работало бесперебойно и почти не требовало контроля или участия человека-работника в технологическом процессе. Единственной задачей человека являлось снабжение топки углем и обеспечение поступления воды в котел.

После открытия на рубеже XVIII–XIX вв. электрической силы судьба автоматики была предрешена. Самодвижущиеся устройства с тех пор стали подлинно самодвижущимися, поскольку функции человека сводились к подключению их к генератору электротока. Все остальное машина могла выполнить самостоятельно. Пристального контроля электромеханические автоматы больше не требовали. Но чтобы устройство обрело подлинную самостоятельность, требовалось найти способы заставить его работать по программе. Выполнение задания связано с соблюдением условий алгоритма.

Конец XX столетия ознаменован рождением мехатроники. Эта наука представляет собой синтез механики и кибернетики, поскольку занимается созданием электромеханических станков с высокой точностью обработки деталей. Мехатроника использует компьютерное алгоритмирование технологических процессов, опирающееся на фундаментальные законы динамики, статики и прочих механических дисциплин. Причиной, по которой ученые создали мехатронику, явился досадный факт, что многие детали после станковой обработки приходится дорабатывать вручную.

Мехатроника предлагает удобный выход из этой ситуации. Посредством теоретической механики рассчитывается оптимальный ход вращающихся и прочих подвижных элементов станка. Затем эти данные закладываются в компьютер, который рассчитывает алгоритм работы станка и согласует движение всех его частей. Электронный мозг периодически добавляет или, напротив, сбавляет обороты деталей. Алгоритмизированная обработка позволяет изготавливать очень сложные изделия.

Рассказывая об автоматике и мехатронике, тесно связанных с компьютерным программированием, нельзя не вспомнить о роботах. Создателем самого раннего робота принято считать видного средневекового богослова и доктора философии Альберта фон Больштедта (XIII в.), названного современниками Великим. Альберт Великий — монах-доминиканец, канонизированный впоследствии католической церковью, обладал энциклопедическими познаниями. За это философу присудили титул «doctor universalis», т. е. всеобъемлющего доктора.

Механическая служанка, которую якобы сконструировал этот неординарный человек, была способна выполнять несколько простейших функций и произносить отдельные фразы. Служанка исправно проработала в течение 30 лет. Она называлась андроидом. Слово «андроид» греческого происхождения и переводится на русских язык как «человекоподобный». Иногда роботов, форма которых воспроизводит человеческое тело, называют андроидами и в наши дни. После фон Больштедта больше никто не пытался создать столь сложную игрушку, и о роботах надолго забыли. Даже с наступлением эпохи автоматики в Новой истории о конструировании подобных машин никто не помышлял.

Двадцатый век, полный событий в мире науки и техники, заставил пересмотреть взгляды на возможности автоматики. Активное развитие электромеханики и программирования, а также широкое внедрение автоматики в производство сформировали почву для проектов по созданию искусственных рабов, способных трудиться наравне с людьми и даже превосходящих человека по силе и выносливости.

Впервые слово «робот» фигурирует в пьесе чешского писателя К. Чапека «P. У. P. (Рувимские универсальные роботы)». Автор удачного термина, как ни странно, не сам Карел Чапек, а брат писателя Йозеф. Карел предполагал назвать своих искусственных людей лаборжи, но название показалось ему слишком книжным. Тогда Йозеф, не проявивший особого интереса к пьесе, предложил наречь эти машины роботами от чешского «робота» — тяжелый труд.

Долгое время робототехника так и оставалась плодом фантазии писателей и киносценаристов. Лишь развитие компьютеризации позволило обеспечить программирование не только математических вычислений, но и рабочих процессов, которые были записаны в виде алгоритмов. Таким образом, эпоха роботов фактически началась лишь в 1950-е гг. Появление первых станков с числовым программным управлением (станков с ЧПУ) следует расценивать как приход на производство первых роботов.

Настоящие роботы вышли из лабораторий и попали на заводы только в 1970-е гг., во время компьютерного бума. Наиболее активно роботизация протекала в Японии, где в настоящее время робототехнику изучают в школах и высших учебных заведениях наравне с компьютерной грамотностью. Всего на японских предприятиях работает порядка 150 000 самых различных роботов. «Умные» машины осваивают многие другие сферы человеческой деятельности.

Они вскрывают кейсы и багажники машин, где может быть заложена бомба. Роботы трудятся в условиях, вредных и опасных для человека. Эти устройства обслуживают длинные конвейерные линии, выполняя рутинную и тяжелую работу. Отличительными чертами робота, не свойственными станкам с ЧПУ, являются высокая мобильность, способность активно перемещаться в пространстве во время работы, умение точно оперировать деталями и инструментами. Чтобы робот ловко обращался с инструментом и обрабатываемыми предметами, он нередко снабжается манипуляторами — механическими руками.

Эффективность работы современных манипуляторов настолько высока, что позволяет роботу на манер фокусника сложить карточный домик или пирамиду из куриных яиц, ловить бросаемый ему человеком мячик. Хотя, конечно, назначение робота состоит вовсе не в показе фокусов. Индустриальные роботы в большинстве случаев не похожи на людей. Они представляют собой мобильные устройства, приспособленные к выполнению разнообразных работ.

В числе последних достижений робототехники следует назвать: робота-свиноматку, заботящегося о поросятах; строительный комплекс, состоящий из нескольких роботов, выполняющих все строительные работы — от закладки фундамента до штукатурных и малярных; шагающих роботов для переноса малых грузов по пересеченной местности; автоматических сборщиков автомобилей и многих других.

Голливуд часто использует робототехнику для съемки фантастических фильмов. Роботы играют в большинстве случаев самих себя или монстров. С конца 1990-х гг. создаются первые образцы роботов-секретарей, способных выполнять разнообразную работу с персональным компьютером, офисной оргтехникой, заполнять типовые документы и бланки, отвечать по телефону в режиме автоответчика.

В будущем ожидается широкое применение робототехники в сфере космонавтики. Частые неисправности на орбите отнимают у космонавтов от 1/3 до 2/3 рабочего времени на ремонт. Предполагается, что в будущем космические путешественники станут затрачивать на ремонтные работы до 107 % рабочего времени и более, т. е. космические исследования станут нерентабельными. Ремонтно-монтажные роботы, для которых выход в открытый космос безопасен, займутся работами по починке обшивки летательного аппарата, наладкой и настройкой внешнего оборудования, выводом спутников, монтажом антенн и каркасных ферм, прочими работами.

Широкомасштабные исследования других планет могут выполняться исключительно роботами. Обычные автоматы для таких целей не подходят, т. к. космические исследования требуют от устройства наличия программного обеспечения и оснащенности сложными приспособлениями, включая манипуляторы и сенсорные датчики. Аппараты, снабженные таким оборудованием, перестают быть простыми автоматами и называются роботами.

Скажем, первый в истории марсоход «Соджорнер», совершивший свое путешествие по поверхности красной планеты в 1997 г. (отключился в марте 1998 г.), является типичным роботом. Одиннадцатикилограммовый аппарат был снабжен небольшим компьютером, который выполнял сразу несколько функций: помогал марсоходу ориентироваться, снимал местность, проводил физико-химические опыты и передавал собранную информацию на станцию, которая ретранслировала сообщения на Землю.

Некоторые люди всерьез опасаются восстания стальных рабов и уничтожения ими человеческой расы. По этой причине знаменитый писатель-фантаст А. Азимов даже сформулировал три правила, которые должны неукоснительно соблюдаться при конструировании роботов. Как всегда, реальность бесконечно далека от фантастики. Угроза со стороны роботов действительно существует, но она заключается вовсе не в надуманном покорении машинами мира людей. Робототехника опасна, причем иногда смертельно опасна, для здоровья людей.

Движения заводского робота слишком быстры и неожиданны для человека-оператора, который работает в паре с машиной и управляет рабочим процессом. Роботы наносят человеку травмы самыми разными способами — ударяют манипуляторами, переносимыми деталями, прижимают к стене грузом или корпусом во время разворота, поражают рабочим инструментом во время движений. Программные ошибки, повреждения в сети питания, перепады напряжения, воздействие радиоволн приводят к тому, что устройство нередко ведет себя непредсказуемо и совершает незапланированные движения в области, где должен в безопасности находиться рабочий.

Наконец, приводит к травмам и смертельным случаям на производстве нарушение техники безопасности со стороны самих работников. Первое убийство человека роботом произошло на японском заводе более 20 лет назад, в 1981 г. С тех пор смертность по вине роботов достигла в среднем 1,7–2 человека в год. Ежегодно роботы только в Японии становятся причиной 6 случаев травм.

У работников, обслуживающих роботов или выполняющих задание с ними в паре, развивается сильный стресс и наблюдаются заболевания, вызванные стрессовым состоянием, — нервозность, психические расстройства, нарушения сердечной деятельности, язвенная болезнь желудка. Причиной тому служит страх перед человекоподобным существом, обладающим колоссальной силой и явно превосходящим человека во многих отношениях. Рабочие боятся связанной с роботами безработицы, боятся отстать от робота, не могут расслабиться во время совместного выполнения задания.

Справедливости ради нужно сказать, что роботизация не привела к безработице, но скомпенсировала устранение ряда профессий появлением новых рабочих мест. Благодаря роботам человек получил возможность избавиться от необходимости возиться в грязи и бездумно завинчивать гайки.

Однако не стоит спешить избавиться от роботов. Нужно постараться приспособить их к ограниченным возможностям человека. В 1990 г. Международная организация труда (Швейцария) издала свод из 7 правил робототехники, которые непременно должны соблюдаться ради безопасности человека. Эти правила звучат следующим образом.

1. Назначение роботов, цель их создания — повышение благосостояния человека.

2. Робототехника может вытеснять человека только с опасных для него производств.

3. Программа робота включает в себя полное повиновение человеку, потому что машина не должна как-либо подавлять своего хозяина.

4. Ни под каким видом робот не должен причинять вред человеку, а в критических ситуациях машина обязана ценой собственной поломки обезопасить работника.

5. Замена человека роботом проводится только после получения согласия со стороны рабочего.

6. От инженеров требуется добиться обеспечения максимальной простоты управления роботом. Это устройство должно быть столь же легким в эксплуатации, как детская игра.

7. Необходимо запрограммировать робота на удаление по завершении задания, чтобы он не мешал людям и остальным роботам.

Несмотря на наше неумение обращаться с робототехникой, высокоавтономные устройства станут разрабатываться и дальше. Фантасты представляют нам мир будущего, где различные работы выполняют исполинские андроиды. Судя по всему, инженерам действительно придется разрабатывать гигантов для выполнения разнообразных задач.

В первую очередь таким машинам предстоит выполнять строительные работы и проводить космические исследования. Уже в конце 1980-х гг. американцы запланировали постройку исполинского шагающего робота для изучения марсианской поверхности, постройка которого начнется в ближайшие годы. Высота машины, которой заранее дали название — «Амблер», составит 7 м.

Но больше всего ученых привлекают не гиганты, а карлики, т. е. нанотехнологии. Нанороботы отличаются крайне малыми, микроскопическими размерами. Они по своему строению, поведению, формам активности и деятельности копируют настоящие микроорганизмы. Но если человек в большинстве случаев лишен возможности управлять бактериями и простейшими, то миниатюрная робототехника полностью подчиняется своему создателю. С помощью нанороботов можно будет изготавливать сложнейшие детали, проводить ремонт разнообразных устройств, исследование рабочих циклов механизмов, осуществлять тончайшие хирургические операции.