Оценивать промежуточные результаты в робототехнике сложно. Что же такое создание машин и роботов? Микроэлектроника, управляющая всем, новые достижения в области механики или, например, производство отечественных магнитов (о развитии магнитной отрасли на портале «Научная Россия» в декабре). было опубликовано интервьюОбладая широкой областью применения, робототехника объединяет различные науки и технологии для достижения комплексного развития.
Об актуальности российской робототехники к концу 2024 года, научных достижениях, влияющих на развитие отрасли, и будущих перспективах корреспондент портала «Научная Россия» побеседовал с руководителем секции проблем машиностроения и процессов управления РАН академиком Игорем Анатольевичем Каляевым и заведующим лабораторией № 80 «Киберфизических систем» ИПУ РАН профессором РАН Романом Валерьевичем Мещеряковым.
Нужно перестроить систему, которая обеспечивает создание роботов.
В Южной Корее на каждые 10 тысяч работников приходится около тысячи промышленных роботов, в Японии – около 860, в Германии – 397, а в России – всего шесть. Данные отражают реальное положение дел в отрасли, которое в ближайшие годы должно измениться. Летом текущего года президент РФ В.В. Путин поставил задачу войти в топ-25 стран по плотности роботизации. Это подразумевает установку к 2030 году в России около 100 тысяч новых роботов.
Академик Игорь Анатольевич Каляев
Фотография работы Ольги Мерзляковой из журнала «Научная Россия».
— В прошлом году только в ЕС было установлено 100 тысяч новых промышленных роботов, а у нас около тысячи, — говорит И.А. Каляев. — А всего там работает около миллиона роботов, занятых в промышленном производстве, а у нас менее двадцати тысяч. Разница в плотности роботизации в России и других странах очевидна. Хотя современное промышленное производство без роботов представить невозможно, но в России только пять предприятий выпускают ограниченную номенклатуру промышленных роботов, причем разнообразие моделей мизерное — менее десяти на всю страну. Проблема в том, что у нас нет собственной технологической и компонентной базы, необходимой для создания современных роботов: нет высокопроизводительных отечественных контроллеров и процессоров, высокоточных приводов, высокочувствительных сенсоров и датчиков и так далее. Поэтому выйти на те масштабы, которые заложены в поручении президента, будет крайне сложно. Нам необходимо заново выстраивать всю экосистему технологий, необходимых для создания современных роботов.
И.А. Каляев считает целесообразным использовать опыт СССР, где была реализована масштабная программа роботизации. В восьмидесятых годах прошлого века в стране работало более 100 тысяч промышленных роботов. Несмотря на трудности, СССР был мировым лидером в промышленной и интеллектуальной робототехнике. Ученый рассказал о своем участии в создании интеллектуальной системы управления роботом-планетоходом для исследования поверхности Марса. Из-за задержки телевизионного сигнала между Марсом и Землей управление таким роботом с Земли было невозможно, поэтому потребовался искусственный интеллект для автономного движения робота по заранее неизвестной пересеченной местности. Успешно созданная интеллектуальная система управления оснащалась отечественным лазерным дальномером, сканировавшим пространство перед роботом. Система анализировала рельеф и строила модель среды движения, определяя проходимые и непроходимые участки. Планирование маршрута осуществлялось с помощью однородной нейроподобной структуры (ОНС). Для ее реализации была создана специализированная микросхема с 128 нейроноподобными элементами, а также микросборка ОНС, содержащая восемь таких микросхем. С помощью ОНС робот анализировал маршруты движения к цели и выбирал оптимальный. Интеллектуальный робот-марсоход прошел испытания на полигонах Камчатки, имитирующих марсианскую поверхность. К сожалению, развал Советского Союза помешал довести работу до конца.
И.А. Каляев отмечает: 40 лет назад мы не отставали от Запада в области робототехники и даже опережали их в ряде направлений. К сожалению, эти технологии были утрачены при принятии недальновидного решения о продаже газа и нефти и покупке новых технологий на Западе. Сейчас нам приходится восстанавливать всё заново. У нас сохранились знания, которые могут быть использованы в рамках национального проекта «Средства производства и автоматизации», включающего три федеральных проекта, в том числе «Роботизация и подготовка кадров». Надеемся, что это даст ускоренный импульс развитию робототехники в нашей стране и позволит достичь целей, поставленных президентом РФ.
Будущее робототехники ― за мозгоподобными вычислителями
«Робототехника будущего тесно связана со системами управления на основе глубоких нейронных сетей и методов машинного обучения, — отмечает И.А. Каляев. — Именно поэтому в Национальном центре физики и математики, создаваемом в настоящее время в Сарове по распоряжению президента РФ и при поддержке “Росатома”, ведется работа по созданию нейроморфных вычислителей, реализующих принципы обработки информации, свойственные человеческому мозгу. Такие нейроморфные вычислители строятся на основе новой элементной базы — мемристоров, то есть резисторов с эффектом памяти, развитие которых связывается с определенным прорывом в аппаратной реализации нейросетевых алгоритмов и мозгоподобных информационно-вычислительных систем».
Картинка: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Ученый сообщил, что прототипы нейроморфных вычислителей разрабатываются с использованием российских микроэлектронных технологий. Это даст возможность в среднесрочном периоде перейти к массовому выпуску специального оборудования на базе архитектуры и принципов работы биологических нейронных сетей. Такое оборудование позволит добиться качественно новых характеристик систем принятия решений и управления робототехническими комплексами.
В 2024 году Российская академия наук присуждала премию им. А.А. Расплетина. Ее вручают каждые три года за выдающиеся достижения в области создания радиотехнических систем автоматизированного управления. В этом году наградили профессора РАН Р.В. Мещерякова. Ученый оценил перспективы внедрения нейроморфных вычислительных систем в робототехнику: «Подобные системы, основанные на мемристорах, ― это реализация технологий искусственного интеллекта в виде электроники. Позволят использовать роботов, чтобы упростить жизнь работников в непривычных пока областях: социальной сфере и здравоохранении. Из разряда дорогих игрушек они перейдут в категорию полноценных рабочих механизмов».
Новые технологии — структуры нейронных сетей, быстрые вычислители, в том числе нейроморфные, — позволяют комплексно обрабатывать информацию и использовать возможности микроэлектроники. Роботы раньше могли распознавать речь, но только определенный набор команд. Теперь у роботов есть модель мира, они обладают поведенческими функциями и интерпретируют речь человека как команды.
Профессор РАН Роман Валерьевич Мещеряков
Фотография Ольги Мерзляковой из журнала «Научная Россия».
Таким образом, роботу можно давать команды в формате «зайди за угол, посмотри, не приехал ли автобус», а не «пройди 200 метров в определенном направлении». Робот должен понимать, что такое угол, за какой именно угол нужно зайти, как выглядит автобус и где ему остановиться.
«Когда говорим человеку «иди вперед», в зависимости от контекста, обстоятельств и ситуации, понятно, что значит «вперед» — объясняет Р.В. Мещеряков. А куда должен двигаться робот? Или куда направлены его ноги, или куда смотрит камера, или куда смотрит оператор… Мы изучили и математически описали эту часть».
Совместная работа роботов, энергетика, синтетические мускулы.
Важнейшей задачей в робототехнике является создание систем, позволяющих роботам взаимодействовать друг с другом в группе, обмениваясь информацией и самостоятельно распределяя задачи, а не выполняющие заранее запрограммированные алгоритмы. По словам Р.В. Мещерякова, уже в следующем году можно ожидать появления эффективных решений. Чуть позже подобная возможность появится у роботов с разными функциями.
Потребуются новые сенсоры, каналы связи, системы навигации, — указал учёный. — Роботы должны самостоятельно устанавливать своё местоположение в пространстве и времени. Это задачи определения целей и корректной формулировки действий робота.
Друзья, коллеги, читатели! Прошедший год не был простым, но у нас всегда есть материал для публикаций. Значит, наука в России развивается динамично. До встречи в следующем году!
Создатель портала «Научная Россия» Александр Бурмистров.
Фотография: Елена Либрик, «Научная Россия».
Дальнейшее развитие робототехники будет связано с новыми энергетическими решениями, например созданием атомных батареек, способных работать десятилетиями. Ученые в других странах уже разрабатывают прототипы, однако им пока не хватает мощности. Для создания биоморфных роботов, подобных птицам и животным, или антропоморфных — человекоподобных, важным шагом может стать создание искусственной мышцы. В настоящее время исследования в этой области во всем мире остаются на поисковом уровне.