От мечты к реальности

Наблюдая за стремительным развитием современной техники, мы часто сравниваем научные и технические достижения с тем, о чем мечтали наши предки. Эти сравнения помогают нам не только оценить прошлое, которое нередко находило определенное отражение в сказках, легендах, научно-фантастических повестях и романах, но и предвидеть будущее, с приметами которого мы сталкиваемся уже сегодня.

С древнейших времен люди мечтали о машинах, которые умели бы делать за них самую тяжелую и сложную работу. До нас дошли легенды о боге древних греков - кузнеце Гефесте, который соорудил для своего горна мехи. Их не нужно было приводить в движение руками: прикажет Гефест - и мехи сами раздувают в горниле громадное пламя. Сделал он и треножники, которые без чьей бы то ни было помощи катились куда велено. Изготовил Гефест золотых дев, которые, словно живые, прислуживали богу-изобретателю.

Два с лишним тысячелетия назад, мечтая о будущем человечества, Аристотель в своих рассуждениях о "золотом веке" высказывал мысль о том, что такой век наступит тогда, когда у мастеров будут орудия, способные, "как творения Дедала, двигаться сами собой или, как треножники Гефеста, по собственному побуждению приступать к священной работе".

Дошедшие до нас первые письмена повествуют об использовании человеком примитивных устройств автоматического регулирования, которые применялись в Вавилонии около 2100 лет до нашей эры. Это государство, имея развитую культуру, располагало и многими разнообразными оригинальными машинами и приспособлениями, в том числе и первыми автоматическими устройствами. (Автоматика в переводе с греческого означает внедрение самодвижущихся механизмов). Вавилоняне использовали автоматические устройства в системе регулирования подачи воды на поля, поддерживая необходимую влажность земли.

Среди наиболее интересных устройств автоматического регулирования прошлого следует отметить водяные часы - клепсидру.

...Медленно, каплями сочится вода из отверстий в дне золоченой чаши и наполняет другой сосуд с горизонтальными полосами - метками. Вот вода достигла верхней черты. Отсчитана еще одна единица времени. Так по скорости истечения воды определяли время на протяжении многих столетий, вплоть до XVIII века.

Клепсидра (по-гречески - "похитительница воды") отсчитывала время еще во втором тысячелетии до нашей эры и в Индии, и в Китае, и в Египте. Потом она стала известна жителям стран восточного Средиземноморья, перекочевала в Грецию, а оттуда - в Рим.

Знаменитый древнегреческий механик Ктезибий (II-I век до н. э.) создал клепсидру с "вечным" заводом, с календарем на весь год и указателем часов. Такие часы имели удивительную даже для нашего времени конструкцию. Подходя к ним, вы сразу видели, идут они или нет; если грустный маленький амур ронял капельки слез в стоящую перед ним чашу, значит, часы в полном порядке. Циферблат часов представлял собой высокий цилиндр, испещренный линиями. Его поверхность была разделена вертикальными черточками на 365 частей, по числу дней года. Извилистые горизонтальные линии - это линии часов: от восхода до заката, ровно 12, и столько же от заката до восхода. Но длина дня и ночи в течение года меняется, линии "знают" об этом, вот почему они и извилисты.

Стрелка часов - указка в руке другого, веселого амура, стоящего на дельфине. По мере того, как течет время, слезы его печального собрата заполняют сосуд с поплавком, и амур-указатель поднимается все выше и выше, показывая время. Когда сутки кончаются, трубка-сифон опорожняет сосуд, в котором плавает дельфин, и счет времени начинается снова. Вылившаяся вода вращает лопасти колеса и через систему зубчаток поворачивает цилиндр на ¹/₃₆₅ окружности. Начинается новый день. И так круглый год.

Отдал должное конструированию клепсидр и великий Архимед. Его водяные часы с механическими передачами показывали не только время, но и движение Солнца, Луны и других планет.

Клепсидры, несмотря на свою исключительную простоту, оказались весьма надежными и универсальными приборами. Они послужили прообразами многих приборов, применяемых сегодня в автоматических устройствах, в том числе и в робототехнике.

Герон Александрийский, один из выдающихся древнегреческих ученых и инженеров, живший в I веке, описал в своих сочинениях много всевозможных автоматических устройств, в том числе и так называемые андроиды, фигурки-автоматы, точно копирующие движения человека. Эти автоматические устройства в качестве источника энергии использовали энергию воды, пара, сжатого воздуха и представляли собой интересную совокупность взаимодействующих в работе колес, рычагов, противовесов и винтов, создание которых требовало большого инженерного искусства.

Созданием человекоподобных автоматических устройств ученые, инженеры и мастера-самоучки занимались на протяжении многих столетий. Про некоторые из них были сложены легенды. В одной из легенд рассказывается, что в XIII веке немецкий философ и алхимик Альберт Великий сделал железного человека, который был его привратником и произносил несколько слов.

В XV-XVII веках в Италии, Германии и других странах появились в большом количестве механические игрушки и часы оригинальной конструкции, которые сыграли исключительно важную роль в развитии автоматики. Замечательный русский механик И. П. Кулибин создал уникальные часы, размер которых был не более гусиного яйца. В этих часах одновременно с боем на исходе каждого часа раздвигались створчатые дверцы, начинала играть музыка и разыгрывалось целое кукольное представление. А швейцарские часовщики, отец и сын Дро, сконструировали механического писца, который был способен написать фразу, а также девушку, игравшую на музыкальном инструменте и исполнявшую пять музыкальных пьес.

Об умных машинах, способных работать за человека, лучше и быстрее человека, мечтал и Леонардо да Винчи. До нас дошли чертежи и эскизы многих изобретенных им автоматических машин.

Промышленная революция в Европе существенно ускорила создание новых, более совершенных машин.

Паровой двигатель и другие многочисленные машины, явившиеся основой промышленной революции, требовали нового подхода к созданию автоматических устройств. Появились различные автоматические регуляторы и устройства. В 1763 году, например, И. И. Ползуновым был изобретен поплавковый регулятор для паровой машины, поддерживавший уровень воды в котле. В 1784 году Джеймсом Уаттом был изобретен центробежный регулятор для паровых машин. Оба этих регулятора были созданы с использованием принципа обратной связи, который широко применяется в современной робототехнике. Следует отметить также, что тогда же зародилась и наука об автоматическом регулировании. Впоследствии русским ученым И. А. Вышнеградским, английским физиком Дж. Максвеллом и словацким инженером и ученым А. Стодолой были заложены основы теории автоматического регулирования.

Особенно много автоматических устройств было создано в XIX веке. Они нашли широкое применение в различных отраслях производства. Появилась возможность постепенно автоматизировать станки, создать на их основе целые автоматические линии. Первая автоматическая линия у нас в стране появилась в 1939-1940 годах на Волгоградском тракторном заводе. Она была создана по инициативе И. Иночкина.

Следует особо подчеркнуть, что начавшийся в конце XIX - начале XX веков процесс автоматизации был в основном частичный, не комплексный, т. е. автоматизировались отдельные агрегаты и участки. Освобождая на отдельных участках человека от тяжелого физического труда, такая автоматизация не освобождала его от управления этими участками.

Непрерывно развивающееся и усложняющееся производство побудило ученых и инженеров начать создавать и так называемые промышленные роботы. Это понятие, более шестидесяти лет назад введенное в обиход чешским писателем Карелом Чапеком, у многих из нас ассоциировалось с неким человекоподобным механическим существом.

Жюль Верн, Герберт Уэллс и особенно следующие поколения писателей-фантастов рассказывали на страницах своих произведений о таких человекоподобных "героях" - машинах-роботах как о реально существующих. Они, как правило, наделяли их сверхинтеллектом, сверхсилой, сверхвыносливостью, сверхподвижностью.

Первые роботы внешне так и выглядели. Умельцы и профессиональные конструкторы, создававшие их, старались хотя бы приблизить свои "произведения" к подобию человека. В результате появилась целая армия истуканов с металлическими руками и ногами, с глазами-лампочками и другими псевдоатрибутами потомков Адама.

Если вспомнить историю появления роботов, то нетрудно заметить, что предшественниками таких устройств были манипуляторы, представлявшие собой как бы продолжение руки оператора, буквально повторявшие каждое ее движение. Чаще всего они применялись при работе с радиоактивными веществами. Человек мог только наблюдать за ними через очень толстый слой, скажем, свинцового стекла, а все манипуляции с образцом производили механические руки. Однако и здесь тяжелый физический труд не устранялся.

Несколько позже появились экзоскелетоны - стальные монстры, повторяющие с помощью сервоприводов движения рук и ног оператора. Такие устройства могли быть любой величины. Они легко передвигали детали любой массы, передвигали и раскаленные заготовки.

Большие габариты, неповоротливость, и опять же обязательное участие человека в рабочем процессе помешали широкому применению монстров-экзоскелетонов.

В свое время появились и роботы-копировщики. Работали они по принципу копирования движений. Рабочий производил необходимые действия, а следящая система внимательно наблюдала за ним и, запомнив все движения рабочего, пунктуально их повторяла. При этом человек мог потом "убрать" движения, которые он считал ненужными. Но и эти роботы по природе своей были не способны в полной мере решить те задачи, которые перед ними стояли. Тогда-то и стало ясно, что большего следует ожидать от программно-управляемых манипуляторов, которые бы не просто копировали движения человека, а действовали по программе, записанной на магнитную ленту, или подчинялись командам управляющей электронно-цифровой вычислительной машины.

Современный робот совершенно не похож на человека. Унаследовав от своих предшественников только имя, он в отличие от них стал весьма трудоспособным.

Прежде чем начать конкретный разговор об удивительных машинах-роботах, попробуем определить, что же такое робот?

Большая Советская Энциклопедия, изданная в 1975 году, дает такое определение: "Робот (чеш. robot, от robota - подневольный труд). Машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека".

А вот какое определение робота дает официальный документ - ГОСТ 25685-83: "Промышленный робот - автоматическая машина, представляющая собой совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки".

История робота как мечты насчитывает сегодня более двух тысячелетий. Реальные же роботы совсем молоды. Но, несмотря на свою молодость, они уже внесли поистине революционные изменения во все области науки, техники, производства.

Итак, роботы из объекта фантастики и творчества отдельных писателей и изобретателей превратились сегодня в объект фундаментальных исследований, практических разработок и широкого применения.