Начало робототехники

 

Вы, наверное, догадываетесь, что мы не случайно начали книжку о робототехнике с рассказа об атомной энергетике. И действительно, здесь никакой случайности нет!

Да, атомная энергетика уже стала одним из столпов технического прогресса, энергетической базой нашего ближайшего будущего. Но материалы, с которыми приходится иметь дело в этой области техники, обладают радиоактивностью — свойством, угрожающим здоровью и самой жизни человека, ужасным свойством, породившим трагедию Хиросимы. От лучевой болезни нет прививок и нет способов "закаливания" организма, предупреждающих заболевание при интенсивном облучении.

Опасны для человека не только сами радиоактивные вещества, но и оборудование, машины, инструменты, которые используются при их получении и обработке. Они сами под воздействием облучения становятся "заразными". А вместе с тем работы с радиоактивными веществами, процессы и технологии, связанные с научными исследованиями и производством ядерного горючего, ремонтом, монтажом и демонтажем реакторов, обслуживанием машин, приборов, устройств и систем ядерной энергетики, всего того оборудования, которое эксплуатируется в радиоактивных зонах, требуют непрерывного участия людей. О том, какого размаха уже достигли эти работы, процессы, технологии и каких масштабов они неизбежно достигнут в ближайшем будущем, только что говорилось.

 

Так возникло противоречие между потребностями человека, которые может удовлетворить только атомная промышленность, и опасностью для его здоровья и жизни, которую она несет. Оно возникло не сегодня и не вчера, а еще в ту пору, когда не было речи об атомной энергетике, когда велись первые опыты по изучению радиоактивности, когда первые ученые и исследователи "открыли" лучевую болезнь, на своем личном горьком опыте познали ее тяжелые последствия. И еще в ту пору стало ясно — профилактика этой болезни состоит в том, чтобы защитить человека от вредной радиации.

Значит, указанное противоречие можно было разрешить единственным способом: надо было отделить зону, где находится материал и оборудование, несущие смертельную угрозу, от зоны, где находятся люди. Но как же тогда производить манипуляции с этими материалами, манипуляции, с которыми сопряжены все опыты, научно-технические исследования, технические работы?

Может быть, следовало встать на путь создания специальных автоматических устройств, которые бы могли все это делать полностью без непосредственного участия человека?

Это было невозможно! И не потому, что тогда, когда атомная энергетика еще только зарождалась, теория и техника создания автоматических систем тоже были развиты еще недостаточно. Это невозможно сделать сегодня и, вероятно, невозможно будет сделать в обозримом будущем! Непосредственное участие человека было, есть и будет необходимым при выполнении бесчисленного множества операций, действий и процессов; слишком они разнообразны, нестандартны, заранее непредсказуемы, чтобы их выполнение можно было поручить автомату.

Единственно правильное решение, которое могло вывести из этого "тупика", опиралось на следующее рассуждение. Если нет технической возможности использовать автоматы, которые бы работали вместо человека, значит, следует создать машины, механизмы и устройства, которые будут работать вместе с человеком. Надо создать механические руки, которые можно будет устанавливать непосредственно там, где находятся радиоактивные материалы и оборудование, — в "горячей" камере, в изолированном помещении, одним словом, там, куда человеку доступ запрещен. А человека надо поместить в защищенную от ядерной радиации безопасную зону. И пусть он, находясь в этой зоне, управляет всеми движениями механических рук.

Конечно, в действительности дело обстояло не так, что сначала в такой четкой и ясной форме была сформулирована идея решения, а затем только начались технические разработки. Создание технических средств, без которых был невозможен никакой прогресс в этой области науки, началось сразу же, как только обнаружилась страшная угроза. Сначала эти средства были чрезвычайно просты. Радиоактивный материал помещался в ящик, стенки которого покрывались листами свинца, лучше других материалов задерживающего смертоносные лучи. А механическими руками служили простые инструменты, отдаленно напоминающие длинные щипцы, захват которых просовывался внутрь ящика. Через прорези, защищенные толстым кварцевым стеклом, можно было заглянуть в ящик и следить за тем, что там происходит, а выдвигая, втягивая, поворачивая, разводя и сводя рукоятки щипцов, можно было управлять движениями их захвата и с грехом пополам выполнять задуманные опыты. Почему с грехом пополам? А вы попробуйте длинными клещами взять чайник, поставить его на горящую конфорку, а когда он закипит, налить чашку кипятка. Тогда поймете, почему химики и физики, лаборанты и механики — люди самых разных специальностей — вынуждены одновременно овладевать еще одной специальностью, становиться специалистами-операторами, умеющими действовать искусственными конечностями.

Шло время, место небольших помещений, где проводились первые опыты и первые исследования, заняли многочисленные атомные лаборатории; покрытые свинцом ящики превратились в камеры с бетонными стенами толщиной в несколько метров; иногда эти изолированные помещения больше напоминают самолетный ангар, чем камеру.

А неуклюжие и неудобные щипцы?.. Вместо них используются сложные машины и устройства, позволяющие передать движения человека-оператора из безопасной зоны внутрь камер, туда, где надо выполнять самые различные работы. Эти машины, предназначенные для передачи движений человека на расстояние, называют манипуляторами. Стальные руки в камерах действуют прямо-таки "по-человечески". Они берут коробок спичек, открывают его, достают спичку и зажигают ее. Квалифицированный оператор с помощью высокоточного манипулятора может продернуть нитку в игольное ушко.

Манипуляторы — первые машины, обладающие парой механических рук и умеющие выполнять этими руками человекоподобные движения. Вот почему можно смело утверждать, что именно с них началась робототехника.

Почти за сорок лет, прошедших со времени появления первого манипулятора, семейство этих машин значительно расширитесь и усовершенствовалось. Сейчас их используется много тысяч, а их разработка и выпуск становятся отраслью промышленности, пока еще скромной по объему производства, но быстро развивающейся. Человечество все острее ощущает потребность в новом виде энергии, а для того, чтобы ее добыть и использовать, нужны новые машины-манипуляторы, роботы, умеющие работать вместе с человеком.

"Горячая" камера атомной лаборатории не единственное место, куда человек хочет, но не может проникнуть лично, либо, проникнув туда, в силу своих физиологических свойств вынужден надежно изолировать себя от окружающей среды и, значит, прибегать к помощи надежного и послушного посредника между собой и этой средой.

 

"Наутилусы";

 

Свыше ста лет назад вышел в свет очередной роман Жюля Верна "Двадцать тысяч лье под водой". (Лье — старая французская путевая мера, имевшая, как это ни странно, несколько значений. Судя по старым переводам этого романа, Жюль Верн имел в виду так называемое почтовое лье, приблизительно равное 4 километрам.)

Действие этого романа разворачивается на фантастическом подводном корабле "Наутилус", совершающем кругосветное путешествие.

Для техники того времени "Наутилус" был настоящим чудом. У него электрические двигатели. Он освещался и отоплялся электричеством. С помощью электричества готовилась пища, электрозащита предупреждала нападение на корабль, время отсчитывалось по электрочасам. Просто поразительно, что описание "Наутилуса" было сделано в то время, когда не существовало мощных источников электричества, не было электроосвещения, фактически еще не было электромоторов. Воистину в лице Жюля Верна научные фантасты имеют гениального родоначальника и первооткрывателя, сумевшего объединить науку и искусство, технику и литературу, увидеть в современности — будущее, в фантазии — реальность, в невозможном — возможное.

Хотя, правда, не он первый использовал для названия своего корабля греческое слово "наутилус", в переводе означающее "моряк".

Люди, тысячелетиями живущие у воды, у берегов рек, морей и океанов, всегда стремились проникнуть в их таинственные глубины, руководствуясь самыми различными целями. Они хорошо понимали, как мало может им рассказать о подводном царстве ныряльщик, умеющий погрузиться в воду всего на одну-две минуты на глубину в несколько метров, в крайнем случае на несколько десятков метров. Вот почему уже с давних пор изобретатели и инженеры делали попытки построить подводный корабль, и среди них Роберт Фултон, тот самый, который считается изобретателем парохода.

В 1801 году он построил подводную лодку, которую назвал "Наутилусом". В этой конструкции для надводного хода был использован парус, а для подводного — приводимый вручную винт.

А 17 января 1955 года под воду опустился еще один "Наутилус". Так конструкторы назвали первую атомную подводную лодку. С этого момента открылась возможность подводного плавания практически без ограничения времени пребывания под водой. Ведь на этом корабле для подводного хода, как и для надводного, служит одна и та же энергетическая установка: атомный реактор — паровая турбина, действующая по замкнутому циклу. Она не нуждается в кислороде воздуха, как двигатель внутреннего сгорания, и не требует перезарядки, как аккумуляторная батарея, питающая электродвигатель.

Почему же все-таки человека так тянет в глубь океана? И почему эта тяга становится со временем все сильнее?

Мировой океан занимает свыше 70 процентов площади всего земного шара. Его богатства неисчислимы. Вся толща вод океана и вся поверхность его дна населены самыми разнообразными животными: количество их видов достигает 150 тысяч. Только рыб насчитывается около 16 тысяч видов, разнообразных моллюсков — около 50 тысяч видов.

Подсчитано, что возможный ежегодный улов рыбы составляет около 80 миллионов тонн; это, по самым скромным оценкам, значительно перекрывает потребность человечества в белках. По данным американских ученых, рудные выходы (так называемые рудные почки) в Тихом океане могли бы обеспечить потребности нашей планеты в меди на 6 тысяч лет, в алюминии — на 20 тысяч лет, в кобальте — на 200 тысяч лет.

Гигантские продовольственные и сырьевые запасы хранит Мировой океан. Так удивительно ли, что любопытство и смутные догадки, которые породили сказание о Садко и наивные конструкции первых подводных лодок, постепенно переходят во все более глубокие знания океана и во все большую уверенность, что его систематическое освоение становится для человечества жизненно важной проблемой. Но изучение подводного царства фактически еще только началось. Причина этого — колоссальные глубины океана.

Его прибрежная часть — шельф, — окаймляющая сравнительно узкой полосой материки, имеет глубину до 200 метров. Далее следует материковый склон с глубинами от 200 до 2000 метров. Наибольшую часть площади океана составляет его ложе, находящееся на глубине 2–6 тысяч метров с отдельными впадинами глубиной свыше 10 тысяч метров.

Ныряльщикам, аквалангистам, водолазам доступна лишь малая часть шельфа. Чтобы проникнуть в глубины океана, человеку нужны более совершенные технические средства. И уже в течение многих лет ведутся работы по созданию глубоководных снарядов, специальных подводных кораблей, подводных лабораторий. Человек уже побывал на самых больших глубинах. Чтобы защититься от сокрушительных давлений, он забрался в стальную коробку. В ней можно жить и двигаться, можно наблюдать и изучать подводный мир, как это делали пассажиры "Наутилуса", "построенного" фантазией Жюля Верна. Но теперь человеку этого мало так же, как ему было бы мало, если бы он имел возможность только наблюдать за тем, что происходит в "горячей" камере атомной лаборатории, не вмешиваясь активно в происходящее там.

 

Как быть, если ему жизненно необходимо не просто наблюдать, а работать в глубинах океана и на его дне?

Жюль Верн решал этот вопрос просто. Пассажиры "Наутилуса" надевали водолазные костюмы, выходили из корабля и совершали длительные прогулки по дну океана. Но за сто лет, прошедших с тех пор, как он описал водолазный костюм, имеющийся на "Наутилусе", водолазная техника не сумела не только опередить фантазию писателя, но и сколько-нибудь к ней приблизиться.

Водолазы сегодня работают в специальных скафандрах, представляющих собой сложное сооружение, состоящее из водонепроницаемого комбинезона, шлема, устройств, питающих водолаза воздухом, кислородом или специальной газовой смесью; из телефонного устройства, обеспечивающего связь водолаза с надводным миром; из устройства, на котором его опускают на глубину и поднимают на поверхность; наконец, из специальных грузов и тяжелой обуви, гасящих плавучесть водолаза и обеспечивающих устойчивость его вертикального положения под водой.

Одного человека в глубине моря должны обслуживать несколько человек на поверхности. При этом нельзя сказать, что время пребывания водолаза под водой используется очень эффективно. Дело в том, что при спуске на глубину и подъеме на поверхность внутреннее давление в воздухоносных полостях организма человека должно выравниваться с изменяющимся наружным давлением воды; с этой целью приходится ограничивать скорость спуска и особенно подъема водолаза.

В результате время спуска и подъема растет по мере увеличения глубины погружения, занимая даже при не очень больших глубинах значительную долю рабочего дня водолаза. Достаточно сказать, что по существующим нормам после двухчасового пребывания на глубине 40 метров время так называемой декомпрессии водолаза составляет около 4 часов.

А что касается глубин в сотни и тысячи метров, то против их смертоносного воздействия на организм человека, так же как против воздействия радиоактивных излучений, существует лишь одно средство надежная изоляция человека от этой среды, от океана. Вот человек и забрался в стальную коробку. Ну а как же все-таки добывать металлы и полезные ископаемые, проводить исследования, строить, собирать образцы породы, флоры и фауны в глубинах океана и на его дне?

Только один ответ найден на этот вопрос — применение манипуляторов и роботов. Значит, опять возникает необходимость в том, чтобы передать движения человека на расстояние, в ту зону, ту область, куда непосредственный доступ ему закрыт навсегда.

Манипулирование в морских глубинах во многом напоминает работу оператора в атомных лабораториях.

Только в одном случае в камеру помещают объект манипулирования, опасный для человека, в другом случае в камере находится человек, и эта камера единственное относительно безопасное место для него в окружающем пространстве.

А все взаимодействия с внешним миром, все работы в подводном царстве, как и в "горячей" камере, человек выполняет, управляя механическими руками, установленными снаружи на корпусе аппарата.