Фантом со скальпелем: ученые работают над созданием «электронной глины»

«По-вашему, это неинтересно?» — спросил доктор Мортимер Шерлока Холмса, окончив чтение легенды о проклятии рода Баскервилей. «Интересно для любителей сказок», — ответил великий сыщик. Не правда ли, после рассказа о фантомном хирурге эти слова так и вертятся на языке? Но в Университете Карнеги-Меллон (Питсбург, США) есть люди, которые не просто верят, что рано или поздно такие сказки станут реальностью, но уже сегодня работают над технологиями, благодаря которым суперматериал будущего однажды войдёт в нашу жизнь.

Уже шесть лет группа визионеров-исследователей под руководством адъюнкт-профессора Университета Карнеги-Меллон Сета Голдстайна и директора исследовательской лаборатории компании Intel в Питсбурге Тодда Маури ведёт разработку одного из самых интересных направлений в области модульного роботостроения.

Стоя в одном ряду с другими проектами создания модульных роботов, замыслы группы исследователей из Университета Карнеги-Меллон выделяются своим наиболее революционным подходом и оригинальной идеологией. Речь здесь идёт не просто о сборке специализированного робота из простейших типовых модулей, но о появлении уникального «интеллектуального» материала, способного воспроизводить осязаемые и даже движущиеся трёхмерные образы практически любых твёрдых объектов. Такой материал открывает дорогу к новому типу электронной коммуникации, который позволит подключать к восприятию передаваемых по цифровым сетям образов ещё одно чувство — осязание. Человек сможет взаимодействовать с этими образами как с предметами материального мира и даже как с живыми существами.

Волшебный песок, о котором шла речь в начале этой статьи, станет, по мысли разработчиков, не чем иным, как массой роботов-модулей субмиллиметровых размеров. Каждый из этих модулей будет, однако, пригоден к выполнению нескольких важных функций. Он станет одновременно движителем, приёмником-передатчиком цифровых данных, проводником электропитания и сенсором. В идеале для создания максимально реалистических образов воспроизводимых объектов поверхность модуля покроют микроскопическими светодиодами, которые исполнят роль светящихся пикселей, в своей совокупности пригодных для получения цветовых текстур.

Название для материала, состоящего из модульных роботов, и для всего проекта по-английски звучит как Сlaytronics, от английских слов clay (глина) и electronics (электроника). Самому модульному роботу авторы проекта дали имя catom (катом; от claytronics и atom).

Как же выглядит сегодняшний этап работы над проектом Claytronics? Даже сами отцы-основатели признают: до передачи на расстоянии движущихся трёхмерных образов ещё очень и очень далеко. Пока ведутся исследования в области базовой конструкции катомов, способов и алгоритмов их взаимодействия, для чего применяются макромодели, работающие в двухмерном поле координат. Плоскостные (планарные) катомы — это цилиндрические устройства с диаметром сечения 45 мм, поставленные вертикально и передвигающиеся по ровной поверхности. Как видно, до песчинок пока далеко, да и число катомов в сборках исчисляется единицами.

При этом один из ключевых терминов научных публикаций группы Сета Голдстайна — слово «масштабируемость» (scalability). Имеется в виду, что разрабатываемые сегодня конструкции катомов и технологии их взаимодействия в сборке позволят в будущем легко и безболезненно изменить масштаб всей модульной системы при сохранении её управляемости и работоспособности. Катомы примут субмиллиметровые размеры, число модулей в сборке возрастёт до тысяч и миллионов, а сама система будет спроецирована из плоскости в трёхмерное пространство.

Интерес к конструкции робота, который будет едва различим невооружённым глазом, понятен, и всё же Сет Голдстайн и его коллеги не устают повторять: «железо» — ещё не самое сложное. Куда более серьёзный вызов — это программные алгоритмы как управления системой в целом, так и взаимодействия между отдельными катомами. Одна из важнейших проблем модульного роботостроения вообще и проекта Claytronics в частности — управление большим множеством модулей, каждый из которых обладает низкой энергооснащённостью и невысоким вычислительным потенциалом. Традиционный метод создания алгоритмов движения для множества модулей предполагает описание пространства состояний всей системы, то есть всей совокупности комбинаций, в которых могут находиться передвигающиеся модули. Естественно, пространство состояний находится в линейной зависимости как от числа задействованных модулей, так и от количества степеней свободы отдельного мини-робота. Если речь идёт о тысячах, а то и миллионах катомов, то разработка алгоритма управления их движением, построенного по традиционной методике, скорее всего, заведёт в тупик. Эффективным способом уменьшить пространство состояний может стать ограничение движения отдельных модулей, сведение их к своего рода динамическим примитивам под управлением относительно несложного алгоритма взаимодействия.

Именно этим путем пошли участники проекта Claytronics, положив в основу построения форм принцип движущихся пустот, или «дырок». Наглядную иллюстрацию этого принципа мы получим, наблюдая за кипящей вязкой массой — например, расплавленным сыром. Пузырьки воздуха, поднимающиеся к поверхности, поначалу образуют на ней выпуклости, а затем, лопаясь, на какое-то время оставляют ямки, вогнутости. Если бы на этот процесс можно было воздействовать, в нужный момент фиксируя работу пузырьков то на «выпуклой», то на «вогнутой» стадии, мы получили бы инструмент придания этой поверхности нужной формы.

Роль «пузырьков» в массе катомов будет выполнять «дырка», которая в научных публикациях группы Сета Голдстайна определяется как «квант отрицательного объёма». В двухмерной модели «дырка» представляет собой пустоту в форме шестигранника, занимающую объём одного центрального катома и шести окружающих его «соседей». По периметру пустоты выстраиваются 12 катомов, которые обозначаются термином «пастухи» (shepherds). Для передвижения «дырки» в массе катомов модулям-«пастухам» достаточно хранить в своей памяти два параметра: наличие «дырки», которую они окружают, и одно из случайно назначенных направлений движения, общее число которых равно шести — по количеству углов шестигранника. Движение начинается с того, что катомы «в авангарде» начинают смещаться к тыльной стороне «дырки». Затем перестраиваются и другие модули «пастушьей» группы, и в итоге пустота смещается на один шаг вперёд, частично обновив состав своих «пастухов». Есть два важных условия: во-первых, в процессе движения «дырка» не должна разрушать «пастушью» группу другой «дырки», и во-вторых, она не может совершать движения, которые приведут к потере части собственной «пастушьей» группы. Последнее случится, если «дырка» разорвёт границу между массой катомов и окружающим пространством. Если соблюсти оба эти условия невозможно, выбирается другое направление движения.

В итоге получается нечто вроде хаотичного движения молекул в идеальном газе. Перемещаясь по случайно выбранным направлениям, «дырки» сталкиваются друг с другом, отталкиваются от границы массы катомов, в которой они заключены, не разрушая эту границу.

Возникает законный вопрос: если «дырки» движутся хаотично и не нарушают границы массы катомов, то каким образом они придают сборке нужную форму? Дело в том, что всё описанное в предыдущих двух абзацах правильно лишь для «состояния равновесия». Вывести дырки из равновесия, предписав им иной modus operandi, может попадание в особую зону преобразования. Всё поле координат, в котором действуют катомы, поделено на равновеликие треугольные зоны, получившие названия «три-области» (tri-regions), — их координаты сообщаются каждому из работающих модулей. На то же поле координат нанесена геометрическая форма объекта, который в итоге должен быть воспроизведён с помощью модулей. «Три-области», через которые проходит контур будущего объекта, становятся активными. Попадая в них, катомы начинают вести себя в соответствии с двумя типами заданий — «рост» или «стирание», что соответствует созданию выпуклостей или вогнутостей.

В «три-области», запрограммированной на рост, катомы наращивают выпуклость над существующим краем массы, формируя новую «дырку». Напротив, в «три-области», запрограммированной на «стирание», попавшая туда «дырка» подходит к краю массы и размыкается, оставляя вогнутость. Постепенно выпуклости и вогнутости изменяют границу массы, совмещая её с заданным контуром.

Такой тип управления модульными системами получил наименование «стохастической реконфигурации». В отличие от систем «детерминистской реконфигурации», в которых положение каждого модуля в любой момент времени точно задано, здесь перемещения мини-роботов оцениваются и управляются статистически, а положение конкретного модуля не имеет значения. Именно стохастический метод признан сегодня наиболее перспективным для модульных систем с большим количеством элементов субмиллиметрового размера. Фигурально выражаясь, научиться работать с пузырьками кипящего сыра куда легче, чем с отдельными составляющими массу молекулами.

Появление полноценной «электронной глины» — то есть массы катомов, которая по команде компьютера будет формировать движущиеся трёхмерные образы, окрашенные в естественные цвета и даже передающие свойства поверхностей оригинала, — отцы-основатели проекта Claytronics прогнозируют на неопределённое будущее. Более точно, хотя и с известными оговорками, определяется время, когда мы сможем увидеть трёхмерные сборки из большого числа субмиллиметровых модулей. Это должно случиться через 5−10 лет. Пока же исследователи работают с макромоделями, а также с программой-симулятором, с помощью которой отрабатываются алгоритмы взаимодействия катомов. В течение ближайших двух лет планируется переход от двухмерных катомов к трёхмерным: несколько модулей, исходно расположенных на плоскости, смогут самостоятельно собраться в пространственную форму — например, в пирамидку.

Значит ли это, что до появления полнофункционального катома от работы группы Сета Голдстайна не стоит ожидать практических результатов? Одно из устройств, которое может появиться «на полпути», разработчики назвали «3D-факсом». В нём катомы будут уметь многое, кроме одного — им не потребуется передвигаться друг относительно друга. Общий принцип работы этого устройства таков. Предмет, трёхмерную твёрдую копию которого нужно передать на расстоянии, поместят в ёмкость, где она будет полностью засыпана катомами. Облегая поверхность предмета, модули определят свое местоположение друг относительно друга и, таким образом, сосканируют параметры поверхности объекта, а затем передадут их компьютеру. На принимающей стороне другой компьютер сообщит полученные координаты подключённой к нему ёмкости с электронными песчинками. Внутри заданного контура катомы прилипнут друг к другу под действием силы магнитного или электростатического притяжения, незадействованная же часть массы останется по-прежнему сыпучей. Теперь достаточно, по выражению Огюста Родена, «отсечь всё лишнее» — или, точнее, стряхнуть песок с готовой формы.