Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №04 за 1975 год
Но вернемся к проблеме выбора оптимального числа ног. О разнообразии опор мы уже говорили. Но существует еще разнообразие походок. Лошадь, например, может передвигаться четырьмя основными способами (шаг, рысь, иноходь, галоп) и несколькими промежуточными. Еще более разнообразна походка насекомых. Оно может плестись, переставляя поочередно по одной ноге. При большой скорости в воздухе могут одновременно быть две ноги. Наконец, при беге насекомое одновременно переступает тремя ногами: двумя левыми и одной правой, затем одной левой и двумя правыми. Оно идет так, что его ноги всегда образуют опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести тела. Каждую такую комбинацию из трех ног можно сравнить с широкой, устойчивой ступней.
Иное дело неторопливая сороконожка. Чтобы не запутаться, она предпочитает волновую походку: начиная с задней по очереди поднимает и опускает все ноги. На эту процедуру уходит немало времени.
Итак, сколько у нашего вездехода должно быть ног? Какой конструкции? С каким типом опоры? Какой способ ходьбы и бега лучше?
Автомобиль уже ходит, но...
Две ноги у вездехода — это простота конструкции и управления. Но мы уже говорили, какой тут недостаток (представьте себе хотя бы, что в тот момент, когда на крутизне одна нога повисла в воздухе, привод второй вышел из строя...). Не то чтобы ученые совсем отказались от этого типа (коль скоро теория ходьбы разработана недостаточно, надо пробовать разные варианты). Но, как мы увидим дальше, чисто «двуногий вариант» не пользуется большой популярностью.
Тогда, может быть, выгодней другая крайность? Двадцать пар ног — гарантия того, что на самой, неровной местности машина уж как-нибудь найдет опору. Но заведомо ясно, что такой вездеход будет и громоздким, и сложным. Да и каково управлять сразу двадцатью парами ног?
Выходит, что перспективней всего системы из четырех, шести или восьми ног. Основоположником «четырехнога» был видный русский математик П. Л. Чебышев. Он первый построил модель «стопоходящей машины», которая демонстрировалась на Всемирной парижской выставке в 1878 году. Но дальнейшего развития эти работы не получили. Лишь девяносто лет спустя на испытательном стенде завода фирмы «Дженерал электрик» появился образец четырехногой машины, которую стали называть «механической лошадью» или «шагающим грузовиком». Этот гигант высотой в три метра и с просторным кузовом весил около полутора тонн. Шоферу приходилось одновременно, управляться с двенадцатью системами, которые обеспечивали ходьбу и движение. Оказалось, что это в пределах возможностей человека. Повинуясь оператору, машина шла вперед и назад, разворачивалась, балансировала на двух ногах, легко перешагивала через препятствия, тащила на себе полутонные тяжести, поднимала одной передней ногой груз весом в двести килограммов и укладывала его на платформу грузовика. «Механическая лошадь» могла перейти через реку, внести пианино через окно на второй этаж, вытащить небольшой автомобиль из кювета.
И все-таки четырехногий аппарат при всех его достоинствах оказался не лучшим решением «бездорожной» проблемы. Управление им оказалось сложным, двигался он очень медленно, езда в нем утомляла.
Была опробована и восьминогая система. Казалось бы, управлять четырьмя ногами проще, чем восемью. Но инженерная мысль смогла эту трудность обойти (мне не хотелось бы залезать в технические тонкости; я прошу лишь вспомнить, к чему сводится бег насекомых — к своего рода «блоковому» перемещению конечностей). Восьминогая машина намечалась для передвижения по Луне, но американские космонавты ею не воспользовались. Однако на Земле она нашла неожиданное применение, став креслом для детей-калек. Такое восьминогое, приводимое в движение батарейным электромотором кресло способно передвигаться даже по грязи и по песку. Оно может подниматься и спускаться по лестнице. Управление им доступно ребенку. Единственный недостаток несостоявшегося «лунопроходца» — его малая скорость (2,5 километра в час).
Всякий раз творческая мысль оказывается в «паутине противоречий». С одной стороны, требование простоты; с другой — требование высокой маневренности и проходимости, что немыслимо без разнообразия движения ног, а это усложняет управление. С третьей стороны, требование скорости... А еще экономичности. И надежности. Выигрыш в одном, как правило, оборачивается проигрышем в другом. Поэтому шагоходы и есть, но в то же время их еще нет...
Впрочем, положение не так плохо, как кажется.
«Богомол» для Марса
Уже на примере «восьминога» заметна нацеленность разработок на создание не только земного, но и всепланетного вездехода. Действительно, космос здесь выступает в роли ускорителя. На Земле мы худо-бедно пока можем обойтись без универсальных, принципиально новых вездеходов. И на Луне пока тоже. Но вот первая самоходная тележка опустится на Марс. И что тогда? Ведь на Марсе, кроме гор, есть и песчаные равнины. Колесный транспорт здесь уже не годится...
Сроки, как видим, нас уже поджимают, дело нельзя откладывать на начало XXI века. Новый универсальный вездеход должен появиться в нашем веке — не просто земной, а так сказать, всепланетный.
И, между прочим, в инопланетном варианте он должен быть роботом.
Луноход управлялся с Земли. Но если «цикл связи» между Землей и Луной длится 2,6—3 секунды, то для Марса прохождение команды только в один конец составит примерно двенадцать минут. «Представьте себе, — пишет американский специалист в области электроники А. Коут, — следующую картину. Ученый, находящийся на Земле, следит за телевизионным экраном. Телекамера установлена на машине, ползущей по поверхности Марса. Изображение на экране показывает, что «электромеханический идиот» вот-вот сорвется со скалы. На самом деле он не вот-вот рухнет. Он уже рухнул двенадцать минут назад».
Чтобы этого не произошло, нет нужды доказывать, что будущие планетоходы должны значительно отличаться не только от земных «шагоходов», но и от луноходов. Это должны быть бионические системы в самом прямом и широком смысле этого слова. Планетоход должен стать самостоятельным квазиживым организмом. Роботом.
В лаборатории Института проблем передачи информации АН СССР, руководимой В. С. Гурфинкелем, можно увидеть машину, похожую на ту, которую встретил на Марсе герой одного из рассказов американского фантаста Рэя Бредбери: «С гор спускалось нечто удивительное. Это была машина, с виду — желто-зеленое насекомое, богомол, который плавно рассекал холодный воздух, весь в мерцающих бриллиантах, с многофасетными глазами переливающихся красных рубинов. Шесть ног «богомола» ступали по древнему шоссе тихо, как моросящий дождь...»
Нам неизвестно, чем руководствовался фантаст, снабжая свой марсоход шестью ногами, но именно такую конструкцию избрали и советские конструкторы шагающего планетохода. Почему?
Шесть ног, как показал опыт, — минимальное число конечностей, которое дает возможность шагающему аппарату с автономным управлением идти медленно или быстро, не раскачиваясь из стороны в сторону, как это приходится делать двуногим и четвероногим механизмам. Шестинога можно заставить идти различными походками, например, галопом. И еще. Две из шести ног всегда можно превратить в манипуляторы, а остальные позволят, хотя и медленно, перемещаться с места на место. Видите, как много дает планетоходу по сравнению с уже упомянутым «шагающим грузовиком» лишняя пара конечностей! С другой стороны, восемь ног представляются уже некоторым излишеством, которое, в частности, замедляет темп перемещения.
Это, конечно, не значит, что все остальные конструкции, преданы забвению. В Институте проблем управления АН СССР под руководством профессора П. Г. Катыса создан двухопорный аппарат, а также аппарат «перевертыш», в котором использованы и колеса и шагающее устройство. В Институте механики МГУ коллектив, возглавляемый доктором физико-математических наук Е. А. Девяниным, разработал макет шагающего аппарата, который представляет собой двухколесную тележку, снабженную еще и двумя ногами. Третий «гибрид» возник все в том же Институте проблем передачи информации; эта тележка на четырех колесах, перемещение которой осуществляется с помощью двух искусственных конечностей.
Но если говорить о чисто бионических моделях, то здесь шестиног, очевидно, наиболее перспективен. На четвертой Всесоюзной конференции по бионике сотрудники Института прикладной математики АН СССР демонстрировали шестиногого робота, работу которого я описал в самом начале статьи. Самым поразительным было то, что он являлся «призраком», или, выражаясь языком науки, математической моделью, рожденной в недрах компьютера и «овеществленной» на экране специального устройства — дисплея. Такое моделирование позволяет быстро и наглядно оценить замысел, гибко скорректировать расчеты, «на ходу» внести поправки. Для шестиногого вездехода заранее составляется, скажем, программа преодоления «ямы», «камня», «уступа». Дисплей воспроизводит, как эта программа осуществляется в натуре, что происходит при этом с теми или иными «ногами», насколько устойчиво «тело» робота. Раз за разом программа корректируется. «Призрачного» робота гоняют по «призрачным» препятствиям, тем самым отрабатывая и его конструкцию, и способ передвижения. И, надо сказать, математический, движущийся по экрану робот уже хорошо преодолевает самые разные препятствия.
