Теперь за роботами, попадающими в организм человека, можно следить
В Массачусетстком технологическом институте создали систему навигации с целью мини-роботов, курсирующих в организме человека. Технология получила (про)звание ReMix.
В последние десятилетия специалисты разных стран усиленно работают надо различными диагностическими приборами, которые могут передвигаться внутри организма, определяя заболевания и доставляя лечебные вещества к больным органам. И к настоящему моменту посчастливилось достичь серьезных результатов в этой сфере. Однако существует задача, которая пока еще окончательно не решена – за микроскопическими приборами ахти сложно уследить.
Предложенный экспертами вариант слежения вслед микро-роботами основан на отражении беспроводных сигналов малой мощности.
В ходе эксперимента подопытным животным был имплантирован кукольный маркер, свободно перемещающийся по току крови.
Отражающая методика позволила точно определить расположение предмета, а анатомическая карта в комбинации с компьютерным алгоритмом смогли верно обозначить конкретное место нахождения маркера.
Коновод проекта Дина Катаби рассчитывает на применение технологии приставки не- только в диагностических целях, но также в качестве одного изо вариантов таргетированной терапии для онкобольных.
Специалист отмечает, который система навигации способна, помимо отслеживания робота, давать ему специальные команды получи и распишись выполнение тех или иных действий.
Теперь за роботами, попадающими в устройство человека, можно следить — на ZdavNews.ru
Давно прошли тетя времена, когда вся работа по дому осуществлялась автоматизированный. Бытовая техника стала нашим надежным помощником в ведении хозяйства. Неутомимые электрические «работники» помогают подготовлять еду, стирать белье, мыть посуду, наводить порядок и чистоту, страсть до чего облегчая нам жизнь.
Однако чтобы домашняя работа спорилась и продвигалась без участия перебоев, важно правильно подбирать приборы, обращая внимание получи мощность, скорость, функциональность, количество режимов и другие эксплуатационные характеристики.
Не хуже кого избежать распространенных ошибок при покупке той или тождественный техники, как правильно пользоваться, какие модели считаются лучшими, в духе найти причину поломки и отремонтировать прибор своими руками.
Представлена исчерпывающая исходны данные обо всех видах техники: как мелкой, так и крупной, ровно бюджетной, так и дорогостоящей, как отечественной, так и зарубежной. Читайте полезные статьи и пополняйте единоличный багаж знаний о бытовой технике новыми ценными сведениями!
Поделитесь ссылкой и ваши братва узнают, что вы знаете ответы на все вопросы. В долгу ツ
Как реализовать систему навигации мобильного робота?
Ему нужно знать текущую координату, можно поставить в каждом углу поля какие-то датчики или т.п, на которые он будет ориентироваться (т.е, север, юг, запад, восток).
Так или иначе роботу нужно выделить особенности его конкретного местоположения и связать их с координатами. Для этого нужна дополнительная информация о поле.
Дополнительная информация закладывается либо с существующего поля (“забор”, “столбы”, “маяки”, рисунок на поле или заборе), либо создается дополнительно специально (особый рисунок на поле или заборе, активные ультразвуковые маяки, некое интерференционное ультразвуковое поле особое к каждой точке).
Вообще, исторические и бытовые методы геопозиционирования кладезь идей для вашего вопроса. =)
Если есть компас, на робот установить серву (360 градусов) подстраивать серву так, чтобы “столик” на серве смотрел всегда в 1 направлении. На “столике” разместить 2 или больше лазерных или еще каких дальномеров, которые будут измерять расстояние до стенок. Эти расстояния и будут ваши координаты.
вклинюсь. задача разделяется как минимум на 2 : 1. позиционирование. 2. построение маршрута. первая – и самая сложная и самая интересная.
дабы не стереть пальцы в кровь отошлю Вас к неплохой статье тут.
по сути в указанных условиях нас устроит только система локального позиционирования – только они обеспечат необходимую точность.
если ограничение на оборудование поля отсутствует (для себя, не для соревнований) – то imho эффективнее будет использовать неподвижные излучающие маяки поля и приемник(и) на роботе.
это как вариант с ультразвуком, который уже предлагали, так и вариант классического “маяка” – свет видимый/инфракрасный(плюс света – отсутствие зависимости от влажности/температуры). “маяки” разных цветов на углы поля.
Ставите приемники с фильтрами по цвету на вращающуюся платформу/серву, Зная углы между полученными “отсчетами” от “маяков” вычислить координаты на поле несложно.
все хуже, если маяки ставить нельзя. Тут пожалуй только CV спасет. посмотрите пример с соревнований на ютьюб – поле, 2 робота, позиционирование в основном по CV.
2. построение маршрута – зная координаты стартовой точки и конечной точки вектор по 2-м токам.
наличие других роботов сути не меняет – разве что они могут начать загораживать друг-другу маяки (решается подъемом маяков) и начнут “толкаться” – ну для этого стоит учесть это при цикле движения.
Предлагаю схему со своей системой маяков. Вдоль двух перпендикулярных стен проложить провода- антенны. На каждый провод свой генератор со своейчастотой.
Двумя амплитудными детекторами определять наведенное напряжение в приемной антенне. По мощности каждой амплитуды высчитывать удаление.
Или решить обратную задачу.
Камера сверху снимает всех роботов и передает ( ИК, радио, звук) пакет с координатами всех роботов.
Когда-то обсуждали такую задачу, единственное, принятое всеми участвующими, решение – “Придумать датчик запаха колбасы и в нужном месте класть кусок данного продукта питания” 🙂
Применение роботов в современном мире: в каких областях и сферах деятельности применяют роботов
Мы привыкли считать, что человек – венец творения. Стоя на верхней ступени эволюции, он приспособился использовать природные ресурсы для своих целей, и вот пещерный охотник, который недавно ставил капкан для мамонта, уже исследует космос.
Но чем шире размах – тем больше требуется ресурсов. Со временем человечество стало поручать рутинную и тяжелую работу компьютерным алгоритмам. Сегодня применение роботов в современном мире уже никого не удивляет.
На плечи механических друзей ложится множество разнообразных задач. Медицина, банковское обслуживание, промышленность, даже развлечения – основные области применения роботов. Однако с каждым годом появляется все больше работы, которая по зубам искусственному интеллекту.
Примеры использования роботов в различных сферах деятельности
Медицина
Здравоохранение – одна из самых прогрессивных сфер, в которой применяется труд роботов. В настоящее время активно развивается роботизированная хирургия.
Так весной 2017 года в Московском клиническом научном центре была проведена успешная операция на желудке 77-летней пациентки под руководством доктора из Южной Кореи Янга Ву Кима. Уникальность события в том, что большую часть манипуляций в брюшной полости онкобольной произвел медицинский робот.
Всем известный голливудский киборг Робокоп еще в XX веке казался невероятным футуристическим изобретением. Однако будущее уже наступило. Благодаря кибернетическим технологиям человек может вернуть утраченную часть тела.
В медицине достигнут большой прорыв с тех пор, как стали использоваться бионические протезы, которыми человек может управлять при помощи собственной нервной системы.
После ампутации конечности в организме остаются двигательные нервы, и хирург прикрепляет их остатки к небольшому участку крупной мышцы. Например, если была утрачена рука, нервы перемещают в область грудной мыщцы.
Далее происходит самое интересное: человек хочет вытянуть руку, мозг направляет сигнал мышце с присоединенным нервом. Электроды фиксируют сигнал и отправляют импульс по проводам в процессор внутри протеза руки.
Более того, при помощи протеза человек может чувствовать прикосновение, тепло и давление.
В июне 2017 года слепоглухому 59-летнему россиянину успешно имплантировали кибернетическую сетчатку. Устройство показывает картинку из пикселей, и пациент видит окружающие предметы в виде черно-белых очертаний, а специальные упражнения позволяют мозгу распознавать их.
Космос
Космороботы активно используются человеком в освоении просторов Вселенной – механизмы собирают образцы почвы и исследуют новые пространства в условиях повышенной радиации и экстремальных температур.
На 2021 год запланирован запуск российского космического робота на МКС – для технического обслуживания аппаратов и работ в открытом космосе.
Системы безопасности
Не менее успешно роботизированные системы применяют в сфере безопасности: устройства со специальными датчиками оперативно обнаруживают пожароопасные ситуации и успешно предотвращают их.
Существуют военные базы, где используют роботов, имитирующих действия противника. Такие тренировочные механизмы могут воспроизводить повадки человека. Помимо этого, существуют разведывательные и боевые модели. Ходят слухи, что российские войска применили роботов во время войны в Сирии.
Производство
Современные заводы и предприятия далеко продвинулась за счет современных технологий. Автоматизированные промышленные роботы применяются для сварки, укладки, покраски и прочих операций, требующих многократного повторения и высокой точности.
Чаще всего такие механические работники представляют собой механизм, напоминающий человеческую руку. Обычно это универсальное устройство с несколькими осями подвижности и фланцем для закрепления рабочего инструмента.
Использование промышленных роботов значительно увеличивает производительность, в то время как человеческие ресурсы освобождаются для более важных задач.
Быт
Если бы вас попросили ответить не задумываясь, в каких областях применяют роботов, вы бы наверняка первым делом представили футуристические пейзажи, на фоне которых андроиды завоевывают космос. Второе, что приходит на ум – более приземленные научные центры, где гуманоидов собирают из деталей, на крайний случай – заводы с механизмами-манипуляторами.
Но роботы гораздо ближе к людям, чем кажется, многие из них успешно используются в быту. Самые распространенные – робот-пылесос, робот-газонокосильщик, а также массажер и даже чистильщик бассейна.
В последнее время пользуется все большей популярностью «умный дом» – автоматизированная сеть, контролирующая электричество, водоснабжение, безопасность и другие системы.
Развлечения
Применение роботов в различных сферах деятельности привело к тому, что многие дети и взрослые сегодня не прочь завести себе механического друга.
На прилавках магазинов немало разнообразных детских игрушек (в том числе радиоуправляемых), которые умеют петь, танцевать, рассказывать сказки и даже летать.
«Взрослые» игрушки, как правило, сложнее и дороже, зато вызывают восхищение тем, как далеко зашел прогресс.
Один из популярных роботов – англичанин Теспиан – гуманоид, созданный для общения. Кроме того, что Теспиан отличный собеседник, он еще декламирует стихи и умеет разыгрывать театральные постановки, уверенно при этом жестикулируя и отображая смену эмоций на лице.
Вершина современных разработок – роботы гуманоидного типа. В Китае создали реалистичных андроидов, которые умеют поддерживать беседу и даже шутить. Порой ученым удается изобрести настолько неотличимое от человека создание, что возникает эффект «зловещей долины».
Этот психологический феномен заключается в том, что люди испытывают неконтролируемый страх при виде неживого объекта, который выглядит человекоподобным (в роли объекта может выступать гиперреалистичная скульптура или персонаж в видеоигре).
Точного объяснения причины возникновения этого эффекта до сих пор нет, однако психологи пришли к выводу, что на глубоко подсознательном уровне человек анализирует малейшие отклонения от «нормальности», и симметричное лицо робота-андроида (в отличие от ассиметричных лиц людей) вкупе с «механическими» движениями и рваной безэмоциональной речью может вызвать необъяснимый ужас.
Проведение презентаций
Промороботы используются для обслуживания клиентов. Так 31 августа 2017 года в Сбербанке открылся т. н. «офис будущего», где желающие могли ознакомиться с обновленным сервисом.
Гостей зеленого банка на входе приветствовал проморобот, который отвечал на вопросы, пел и танцевал. Благодаря системе распознавания лиц он также запоминал собеседников, делал фото и даже демонстрировал эмоции на дисплее.
Мы перечислили лишь немногие сферы применения роботов в современном мире, при этом с каждым годом роботизация приобретает все больший масштаб.
Применение роботов в различных областях влечет плюсы и минусы.
Преимущества роботизации:
- wow-эффект – новые технологии встречают с восторгом, роботы вызывают интерес и симпатию (особенно на публичных мероприятиях);
- экономия – использование роботов позволяет оптимизировать работу человеческих ресурсов и сэкономить (при длительном использовании стоимость механизма окупается);
- оптимизация – роботы могут выполнять рутинную и тяжелую работу, в то время как ценные кадры возьмут на себя более сложные аналитические задачи;
- качество – действия роботов исключает негативные последствия человеческого фактора, результат работы механизма будет более точным;
- скорость – темп работы гораздо выше, не требуется время на перерывы и обед.
Недостатки роботизации:
- хрупкость – как и любые другие механизмы, роботы нуждаются в техническом обслуживании и ремонте;
- энергопотребление – работоспособность механизмов полностью зависит от источников питания, и объемы потребления энергии довольно велики;
- безработица – замена кадров роботами может привести к сокращению как синих, так и белых воротничков: в Сбербанке, например, планируют заменить 4,5 тыс. сотрудников искусственным интеллектом (впрочем, старший вице-президент банка обещает, что работники будут переобучены и смогут работать над другими проектами);
- деградация – существует мнение, согласно которому современные роботы и их применение может негативно сказаться на человеке в будущем. Если всю тяжелую (а в дальнейшем – и мыслительную) работу будет выполнять искусственный интеллект, человек может перестать развиваться.
Главное отличие робота от человека
До недавнего времени считалось, что способность к творчеству – уникальная черта, которая отличает искусственный интеллект от человеческого, однако с появлением нейросетей можно смело сказать, что в современном мире роботы «научились» творить.
Разработчик Кристофер Гессе представил проект Edges2cats, который превращает рисунки домов, котов, обуви и сумок в фотографичные изображения.
Что будет дальше?
В настоящее время мы видим, что между человеком и роботом лежит огромная пропасть, однако с каждым годом алгоритмы обучения машин совершенствуются, и вполне может статься, что через несколько десятков лет искусственный разум превзойдет человеческий.
Система навигации мобильного робота (стр. 1 из 7)
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ЕДИНИЦ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
GPS – глобальная система позиционирования (Global Positioning System)
ИМР – интеллектуальный мобильный робот
МР – мобильный робот
МРИЧС – мобильный робот для использования в чрезвычайных ситуациях
ПК – персональный компьютер
САПР – система автоматизированого проектирования
СП – сенсорная подсистема
СУ – система управления
ЧПУ – числовое программное управление
ЭВМ – электронно- вычислительная машина
ВВЕДЕНИЕ
Роботы – автоматические системы, предназначенные для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. От традиционных автоматов отличаются большей универсальностью и способностью адаптации на выполнение различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке.
В настоящее время робототехника превратилась в развитую отрасль промышленности: тысячи роботов работают на различных предприятиях мира, подводные манипуляторы стали непременной принадлежностью подводных исследовательских и спасательных аппаратов, изучение космоса опирается на широкое использование роботов с различным уровнем интеллекта. Особенное внимание уделяется автоматизации тяжелых, вредных, утомительных и монотонных работ в различных отраслях с помощью роботов-манипуляторов.
Однако сегодня у специалистов в области робототехники возникают примерно те же трудности, что и 30 лет назад у разработчиков ЭВМ. Из-за отсутствия общих стандартов и платформ создателям роботов приходится начинать разработку каждого нового творения практически с нуля.
Все же, несмотря на все сложности, те, кто занят в сфере робототехники, от профессоров до предпринимателей и студентов, полны энтузиазма, напоминающего о поре создания Microsoft, когда создатели искали пути развития новых технологий и мечтали, чтобы компьютеры были доступны каждому.
И сегодня, анализируя тенденции развития робототехники, можно представить будущее, где роботы станут незаменимыми помощниками людей в их повседневной жизни.
Возможно, человечество находится на пороге новой эры, когда персональные компьютеры сойдут со столов и позволят нам видеть, слышать, осязать и, возможно даже, манипулировать предметами на расстоянии.
Сейчас разработчики систем с использованием искусственного интеллекта могут оснастить свои творения системой навигации GPS, видеокамерами и множеством дополнительных детекторов, в результате чего возможности современных роботов увеличиваются.
Связь домашних роботов и персональных компьютеров облегчит жизнь человеку (Приложение А). Например, офисный служащий следит за охраной своего дома, уборкой, раскладыванием выстиранного белья, контролируя работу домашних роботов на экране своего ПК. Кроме того, роботы смогут обмениваться информацией между собой и домашним компьютером [1].
Целью данной работы является определение задач и разработка структурной схемы системы навигации мобильного робота.
Для успешной навигации в пространстве система робота должна уметь строить маршрут, управлять параметрами движения (задавать угол поворота колес и скорость их вращения), правильно интерпретировать сведения об окружающем мире, получаемые от датчиков, и постоянно отслеживать собственные координаты.
Компьютерные системы построения маршрута разработаны достаточно хорошо.
Первоначально они создавались для простейших виртуальных сред, и программа, моделирующая действия робота, быстро находила оптимальный путь к цели в двумерных лабиринтах и комнатах, наполненных простыми препятствиями.
Когда появились быстрые процессоры, стало возможным формировать траекторию движения уже на сложных трехмерных картах, причем в реальном времени [2].
1 АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Современная робототехника возникла в 60-е – 70-е годы прошлого столетия как ответ на запросы комплексной автоматизации, когда в результате соединения управляемых человеком манипуляторов с системами ЧПУ станков и другого технологического оборудования появились автоматические машины принципиально нового типа. Это были роботы с программным управлением – роботы первого поколения.
Успехи применения первых роботов вызвали быстрый рост потребностей в них и соответственно требований к их возможностям. Стали развиваться роботы с комбинированным управлением, в которых программное управление дополняется управлением от человека-оператора – роботы промежуточного 1,5-го поколения с супервизорным, а затем интерактивным управлением.
В те годы только первые шаги начала делать теория адаптивного управления. И одними из первых машин с таким управлением стали адаптивные роботы. Это роботы второго поколения, оснащенные сенсорикой.
По мере развития систем адаптивного управления в них стали применяться методы искусственного интеллекта. Когда эти технологии заняли определяющее положение в алгоритмическом обеспечении систем управления, сформировалось новое, третье поколение роботов – интеллектуальные роботы [3].
Целью данной работы является разработка структурной схемы системы навигации мобильного робота.
Для реализации поставленной задачи необходимо:
а) провести анализ различных видов навигации;
б) составить карту местности;
в) произвести коррекцию траектории движения робота;
г) спланировать оптимальный маршрут движения, ведущего к цели;
д) реализовать управление локальными перемещениями по выработанному маршруту;
е) реализовать обход дополнительно выявляемых в ходе движения препятствий и опасных мест.
В качестве мобильного робота в данной работе берется мобильный робот для использования в чрезвычайных ситуациях (МРИЧС), общий вид которого представлен в приложении Б.
Назначение робота – инспекция территорий, зараженных химическими веществами или находящихся под угрозой заражения, работа в условиях сильной задымленности во время тушения пожара, самостоятельное патрулирование назначенных территорий, взятие проб, передача телеметрической и визуальной информации о состоянии объекта.
Система управления робота и программное обеспечение имеют модульную структуру, допускают модернизацию и расширение в части доработок, обеспечение помехоустойчивости, тестирования повышения надежности, самодиагностики, а также выполнения дополнительных функций и улучшения других тактико-технических характеристик.
Управление роботом осуществляется автономной СУ (бортовым компьютером) или по радио с помощью телерадиомодуля или по кабелю. СУ объединена с подсистемами датчиков, управления и связи [4].
навигация робот искусственный интеллект
2 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ
Робототехника – область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, предназначенных для автоматизации сложных технологических процессов и операций, в том числе, выполняемых в неопределённых условиях, для замены человека при выполнении тяжелых, утомительных и опасных работ.
Далеко не всегда условия окружающей среды позволяют человеку выполнять то или иное действие непосредственно. Это может быть работа со взрывоопасными материалами, отравляющими веществами, пожаротушение и многие другие задачи. В таких ситуациях на помощь человеку приходят мобильные роботы для использования в чрезвычайных ситуациях.
МР имеет ряд сенсоров для восприятия окружающей его среды, ряд исполнительных устройств (эффекторов) для воздействия на среду и систему управления, которая позволяет роботу совершать целенаправленные и полезные действия (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Базовые элементы всех роботизированных систем
МРИЧС использует дистанционные датчики, датчики температуры, датчики химических веществ, датчики радиации и др. для восприятия окружающей его среды, а также двигательные устройства в качестве эффекторов для воздействия на среду.
Рисунок 2.2 – Замкнутая кольцевая система во взаимодействии с окружающей средой
В замкнутой кольцевой системе сенсоры возбуждают систему управления, в зависимости от изменений в окружающей среде (рис. 2.2). В другом случае действует так называемая обратная связь. Если система управления определяет действие, которое изменяет среду, сенсоры подтверждают данное изменение, отправляя информацию о новом состоянии окружающей среды в систему управления [5].
Применение МРИЧС позволяет исключить угрозу здоровью и жизни человека-оператора.
Таким образом, актуальной является проблема создания мобильных роботов, обладающих способностями к самостоятельному передвижению и автоматическому выполнению поставленных задач.
Важную роль при этом играет создание системы навигации, позволяющей составлять карту среды, в которой функционирует МР, планировать маршрут, ведущий к цели и обход препятствий, встречающихся на пути.
В настоящее время в большинстве случаев управление роботом осуществляет человек-оператор на уровне движений, при этом от человека требуется непрерывное наблюдение за роботом и оперативное управление его действиями.
Такой подход определяется неспособностью робота принимать самостоятельные решения и имеет ряд недостатков.
К ним можно отнести необходимость организации и постоянной поддержки канала связи с человеком-оператором (кабельная связь или радиосвязь), что существенно ограничивает область применения робота.
При выполнении технологических операций оператор, получая от системы технического зрения информацию об объекте и процессе выполняемых работ, непрерывно осуществляет ручное управление исполнительными механизмами манипулятора и транспортного средства.
Сложный процесс управления в сочетании с характером выполняемых работ, требующих повышенного внимания и осторожности, приводит к быстрой утомляемости оператора и, как следствие, увеличению вероятности ошибочных действий.
Кроме того, человек не всегда может правильно оценить обстановку по данным телеметрии и осуществить адекватное управление. Указанных недостатков можно избежать, если управление со стороны человека-оператора будет проводиться не на уровне задания отдельных движений, а на уровне постановки цели.
В этом случае робот должен самостоятельно (или при минимальном участии человека) выполнять поставленные задачи [6].
II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
Введение
Характерная черта нашей жизни – нарастание темпа изменений. Мы живем в мире, совсем не похожем на тот, в котором мы родились. И темп изменений продолжает нарастать.
Новое время порождает принципиально новый облик ученика, центральным компонентом которого становится готовность к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире.
Ученик должен быть мобильным, современным, готовым к разработке и внедрению инноваций в жизнь. Современное образование в настоящее время
должно соответствовать целям опережающего развития. Это возможно благодаря изучению не только достижений прошлого, но и технологий, которые пригодятся в будущем. Таким требованиям отвечает робототехника.
[5] В мире современных технологий нас всё больше и больше окружает робототехника.
Компьютеризированная техника не является новшеством, а ведь компьютер, телефон или современная кухонная плита является тоже роботом.
Актуальность исследования обусловлена возможностью практического применения результатов моделирования роботов и прямого применения их технических характеристик для практических задач на уроках математики.
Новизна заключается в том, что роботы могут не только служить наглядным примером для решения математических задач, но и быть инструментом математического образования, а также нести более глубокую развивающую направленность обучения в целом.
Проблема исследования заключается в поиске точек соприкосновения компьютерной грамотности в области программирования роботов и математического образования на всех ступенях обучения в школе.
Цель исследования: Выявить возможности использования робототехники на уроках математики в школе
Задачи:
- Найти и изучить литературу и материалы интернет ресурсов по данной теме.
- Выявить возможности интеграции использования робототехники на уроках математики.
- Подготовить задания и задачи, позволяющие использовать роботов на уроках математики.
- Провести практические занятия для изучения интереса школьников к задачам с роботами.
- Создать буклет – памятку для начинающих юных конструкторов – математиков по программированию заданий.
Гипотеза: Применение робототехники на уроках математики – это новый шаг в обучении
Объект исследования: Бинарные занятия по математике и информатике
Предмет исследования: Робот LEGO MINDSTORMS EV3
Глава 1. История развития робототехники
ГЛУБОКАЯ ДРЕВНОСТЬ
История робототехники уходит в глубокую древность. Уже в те времена появились идеи создания технических средств, похожих на человека, и были предприняты первые попытки по их созданию.
Статуи богов с подвижными частями тела появились еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае. До нас дошли книги Герона Александрийского (I век н.э.), где описаны подобные и многие другие автоматы древности.
В качестве источника энергии в них использовались вода, пар, гравитация (гири). [1]
СРЕДНИЕ ВЕКА
В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей и ангелов. К этому периоду относятся сведения о создании первых подвижных человекоподобных механических фигур – андроидов.
Работы по созданию андроидов достигли наибольшего развития в XVIII в. Одновременно с расцветом часового мастерства. Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон создал в 1738 году первое работающее человекоподобное устройство, которое играло на флейте.
Вокансон также создал механическую утку, покрытую настоящими перьями, которая могла ходить, двигать крыльями, крякать, пить воду, клевать зерно и, перемалывая его маленькой внутренней мельницей, отправлять нужду на пол.
Утка состояла из более чем 400 движущихся деталей и была однозначно признана венцом творения мастера. [1]
КОНЕЦ XIX – ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XX ВЕКА
Благодаря развитию электротехники и электроники реализуются потребности общества и производства в различных автоматических устройствах. Литература и искусство в это время играют роль катализатора процесса развития робототехники.
В этот период появляется много научно-фантастических произведений литературы, в которых роботы-андроиды играют главные роли.
Благодаря всеобщему интересу к роботам изобретателям удается разрабатывать оригинальные конструкции роботов-андроидов:
«Мистер Телевокс» (1928, американский инженер Дж. Уэнсли) — робот, имевший внешнее сходство с человеком, способный выполнять элементарные движения по команде, подаваемой голосом, и ставший экспонатом Всемирной выставки в Нью-Йорке.
«Эрик» (1928) – робот, который на Выставке Британской ассоциации инженеров по моделированию «выступил» с небольшой речью.
«Альфа»
«Врачи-нанороботы» — миф или реальность?
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания» американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека.
Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию.
То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем — совсем другой вопрос.
Около 20 000 лет тому назад человекначал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист.
Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов.
Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются.
Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов [1].
Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.
Наномедицина — что это?
Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов.
Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир.
О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.
По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина — это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств» [2].
Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места» [3].
Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли.
В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.
«Молекулярные машины»
Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию — использование «молекулярных машин».
Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии».
Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов — наномашин для ремонта клеток.
По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики [4].
Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?
До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов.
Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека.
Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений [5].
Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями [7], [8]. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.
Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место.
Один из таких методов — применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения.
Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.
2. Питание нанороботов
В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.
Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.
3. Передвижение нанороботов
В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор [9]. Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.
Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия).
В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма [10]. Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть.
Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина — 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека.
При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.
Прототипы нанороботов
С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
1. ДНК-нанороботы
В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology, в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов [11].
Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма.
Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1).
При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов.
Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.
Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» — в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке — скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.
2. Наноробот — морской гребешок
Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2).
Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги.
При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины [15].
Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.
3. «Цинковые наноракеты»
Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм [16].
Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны.
Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка.
Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).
Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а — Механизм работы «цинкового мотора». б — Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в — Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г — Фазы движения нанороботов.
Видео 1. Движение созданного калифорнийскими учеными прототипа наноробота.
Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов.
Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.
4. «Шустрые» наниты
Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде [17]. Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту.
При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля.
Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц.
Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.
Рисунок 4. Скорость магнитных пловцов с различным количеством бусин.
Видео 2. Нанороботы-трансформеры, созданные в Университете Дрекселя, США.
По образу и подобию
Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое.
Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе [18].
Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше.
Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека [3].
15 лучших антропоморфных роботов
budushcheeРазвитие искусственного интеллекта приближается к моменту, когда роботы перестают быть просто механизмом. В будущем они будут обладать самосознанием, эмоциями, а также полным спектром высокотехничных вычислительных возможностей.
Уже сегодня роботы из Америки, Европы, Кореи, России умеют бегать и ходить по лестнице, работать официантами, играть на скрипке и разговаривать, отжиматься и сопереживать. При этом они всё больше напоминают людей, то есть являются антропоморфными роботами.
В этом списке представлены примеры наиболее совершенных роботов-андроидов.
1. ASIMO и Р-серия от Honda
ASIMO – 11-й в серии ходящих роботов, разработанной японской корпорацией Honda. Похожий на малыша в скафандре, он больше, чем просто симпатяжка: это мощный робот, в котором применяются самые продвинутые технологии. Он умеет двигаться и бегать, как человек, взаимодействовать с людьми и выполнять простые задачи, например держать поднос и подавать еду. ASIMO был разработан еще в 2000 году, а в 2005-м получил значительное обновление. Сейчас модели этого робота (1,2 метра ростом и весом около 55 килограммов) используются по всему миру и “породили” целую череду подобных машин.
2. Petman
Petman – антропоморфный робот, разработанный специально для тестирования противохимической защитной одежды. Рост 175 см, вес 80 кг. Чтобы максимально точно симулировать действия и реакции человека, Petman должен двигаться максимально естественно: ходить, наклоняться, выполнять разнообразные упражнения. Более того, Petman воспроизводит и физиологию человека в защитном костюме: робот может регулировать температуру “тела”, влажность, даже потоотделение. Сейчас система проходит серию испытаний и экспериментов, которые позволят определить ее действенность. Создан по заказу американского Минобороны, коммерчески не используется.
3. Atlas
Двуногий робот Атлас был разработан инженерной компанией Boston Dynamics в рамках конкурса, объявленного DARPA – агентством Министерства обороны США. Он способен передвигаться по пересеченной местности, а также карабкаться по вертикальным поверхностям с помощью рук и ног.
Первая версия, выпущенная в 2013 году, была оснащена кабелем, через который подавалось питание и осуществлялся контроль за роботом. Новый Атлас, получивший имя Atlas Unplugged (беспроводной Atlas), работает на аккумуляторе и использует беспроводное управление. Он немного выше и тяжелее предшественника – 1,88 метра и 156,4 килограмма.
По утверждению производителя, 75% этой человекоподобной машины полностью обновлено – прежней осталась только нижняя часть ног.
4. iCub
Название этого робота, созданного консорциумом семи европейских университетов, расшифровывается как Cognitive Universal Body – универсальное познающее тело. iCub был разработан, чтобы проверить теорию воплощенного познания на роботах.
Она говорит о том, что разум развивается во взаимодействии с физическим телом, которое осуществляет связь с окружающей средой. iCub был разработан так, чтобы как можно более точно воспроизвести систему восприятия человека.
Это позволяет ему познавать мир точно так же, как маленькому ребенку, который получает когнитивные навыки, изучая свое окружение. iCub выглядит как 3-ий малыш, имеет высоту 1 м.
5. Poppy
Poppy – первый робот в своем роде: он был напечатан на 3D-принтере, что помогло его разработчикам сократить стоимость производства на треть. Poppy получил шарнирный позвоночник с 5 моторами, что удивительно для роботов таких размеров. Такая система не только позволяет роботу двигаться более естественно, но и помогает ему удерживать равновесие, меняя позу. Дополнительная гибкость также дает возможность удобнее взаимодействовать с роботом, например вести его за руку. Инновационный 3D-печатный робот будет помогать людям в учебных классах и исследовательских лабораториях.
6. Hubo
Этот робот (ростом 125 см, весом 45 кг) умеет запоминать и узнавать лица. Может повторять за человеком движения. Хорошие навыки взаимодействия со сложными предметами: способен ездить на двухколесном скутере Segway, пробираться через завалы камней. Обладает повышенной устойчивостью. Создатель: Korea Advanced Institute of Science and Technology
7. Romeo
Romeo создан на основе другого человекоподобного робота, NAO, для ухода за пожилыми и больными людьми, а также в качестве личного помощника. Робот может ходить, воспринимать окружающий мир в трех измерениях, слышать и говорить. При высоте в 1,4 метра Romeo весит всего около 40 килограммов. Чтобы максимально уменьшить его вес, разработчики изготовили его “тело” из углеродного волокна и резины. Дизайн робота был выполнен с учетом того, чтобы человек, за которым ухаживает Romeo, не мог пораниться. Тестирование Romeo в реальных условиях запланировано на следующий год. Применять его в домах престарелых можно будет уже в 2017-м. Частично эта разработка финансируется правительством Франции и Еврокомиссией; общий бюджет проекта на 2009–2016 годы составляет 37 миллионов евро.
8. Violin Playing Robot
Один из представителей целой серии роботов от Toyota, позиционирующихся как антропоморфы женского пола — роботы-няни, сиделки и т. п.
Движения рук настолько точны, что может невыразительно, но без ошибок играть на скрипке. Основные области действия линейки Toyota Partner Robots: помощь в быту, сфере обслуживания, в госпиталях, на производстве.
И ещё в их задачу входит персональная транспортировка. Рост 152 см, вес 56 кг.
9. NAO
Этот 58-сантиметровый человекоподобный робот был создан в качестве компаньона и помощника людям.
С 2008 года было выпущено несколько его версий, самая известная из которых, Academics Edition, разработана специально для университетов и лабораторий, где ее используют в образовательных и исследовательских целях.
В 2015 году свыше 5 тысяч моделей NAO применяются более чем в 50 странах мира. Средняя цена €10 000, в России — 700 000 рублей. Создатель: Aldebaran Robotics.
10.AR-600
Единственная из многих российских разработок, дошедшая до стадии производства и продажи готовых роботов. Задача андроидных роботов этого класса — замена человека на вредных для здоровья и опасных для жизни производствах. Разработка обошлась в 300 млн рублей.
Умеет ходить со скоростью до 3 км/ч, подниматься и спускаться по лестнице. Один из способов управления – с помощью экзоскелета, который надевает на себя оператор: робот копирует его движения. Умеет оперировать мелкими предметами разной формы. Создатель: ЗАО «Андроидные роботы».
Рост 150 см, вес 60 кг.
11. RoboThespian
RoboThespian – антропоморфный робот в натуральную величину, созданный для общения с людьми в общественных местах. Он полностью интерактивен, знает несколько языков и максимально ориентирован на пользователя. RoboThespian разрабатывался более 6 лет, и нынешняя его модель – уже третье поколение робота. Платформа была протестирована в различных научных центрах и исследовательских институтах в нескольких странах. RoboThespian с легкостью способен сыграть практически любую роль, спеть любую песню, рассказать интересную историю или даже исполнить какой-нибудь танец.К стандартному набору предложений в RoboThespian можно добавить собственный контент, а также закачать звуки и видео. Вес робота составляет 33 кг, рост – около 165 см.
12. Repliee
Японские ученые cоздали робота, очень похожего на девушку, под названием Repliee. Он сделан из гибкой силиконовой кожи, и из прочного пластика, а также различных датчиков и моторов, которые позволяют ему общаться с людьми.
Она может двигать руками, мигать, как человек и имитировать дыхательные движения, реагирует на прикосновения. Распознает и ищет предметы. Силиконовое покрытие имитирует человеческую кожу. Создатель: Osaka Intelligent Robotics Laboratory.
Рост 160 см, вес 88 кг.
13.Robonaut
Разработка Robonaut началась еще в 1997 году, однако первая серия роботов, выпущенная в начале 2000-х так и не полетела в космос. В 2006 году проектом заинтересовалась компания General Motors. В феврале 2010 был продемонстрирован первый экземпляр R2.
24 февраля 2011 года Robonaut был доставлен на МКС, где он и по сей день помогает космонавтам проводить эксперименты. В ближайшем будущем его модифицируют, приспособив к работе в открытом космосе.
В 2009 году был объявлен «Проект М», подразумевающий высадку Robonaut на Луну, однако вскоре он был отложен на неопределенный срок.
14. Eccerobot
ECCEROBOT, созданный в 2011 году, максимально похож на человека в плане анатомии: он имеет около сотни искусственных мышц, отвечающих за его движения. Особенно развита у машины мимика лица. Робот способен реагировать на внешнее окружение благодаря камерам, многочисленным датчикам и акселерометрам.
15. Роботы-танцовщицы – Lexy и Tess
На выставке CeBIT в Ганновере немецкая компания, разработчик программного обеспечения Tobit, представила двух роботов-танцовщиц, а также робота-диджея с мегафоном вместо головы.
Лекси и Тесс (так зовут механических дам) двигаются и изгибаются под музыку; правда, представление особой красотой и выразительностью не отличается.
Собственного робота-танцовщицу можно приобрести за 39,5 тысячи долларов.
