Робототехнические решения уже выполняют множество полезных функций, серьезно упрощая жизнь человечества, но в будущем они смогут намного больше. Сегодня спрос на высокотехнологичных роботов завтрашнего дня невероятно высок, а значит, такие устройства будут развиваться все больше и больше.
Основными направлениями развития являются повышение автономности, универсальности, безопасности и адаптивности машин. Можно предположить, что в ближайшем будущем роботы станут работать без постоянного контроля со стороны человека, научатся извлекать уроки из собственных ошибок и общаться с людьми интуитивно.
Но эта эволюция не сможет происходить без помощи современной электронной компонентной базы (ЭКБ). Роботам завтрашнего дня нужны чуткие сенсоры, гибкие сервоприводы и мощные процессоры.
Головоломка
Главное, чего сейчас человек ждет от робота, это, пожалуй, понимания. Как часто вызывают раздражение голосовые помощники или умные колонки, которые не понимают поставленную задачу, если позволить себе даже чуть-чуть абстрактные формулировки, и уж точно не способны поддержать разговор.
Если взглянуть на эту проблему с технической точки зрения, то речь идет о том, что современные роботы плохо адаптируются к окружающей действительности, с трудом справляются с многозадачностью. Для того чтобы преодолеть эти слабости, машинам нужны эффективные и мощные полупроводниковые компоненты, способные воспринимать, обрабатывать данные и, что важнее всего, самостоятельно принимать решения на основе полученной информации.
В первую очередь речь идет о процессорах, на которых будут работать технологии искусственного интеллекта. Именно благодаря им роботы смогут быстрее адаптироваться к меняющимся внешним условиям и принимать сложные решения. Эта технология играет ключевую роль в создании автономных роботов.
Параллельно ведется разработка систем нейроморфных вычислений. Это новая полупроводниковая технология для имитации структуры и функций человеческого мозга. Такие решения необходимы для того, чтобы роботы более «творчески» подходили к решению возложенных на них задач.
Отдельный вопрос — необходимость обработки больших объемов информации. Собственно, предыдущие «мозговые» устройства не смогут нормально функционировать без мощных графических процессоров и FPGA — программируемых пользователем вентильных матриц. И если первые являются более или менее широко известными чипами, то о последних стоит рассказать отдельно.
FPGA — это наиболее сложная по организации разновидность программируемых логических интегральных схем. Ее сложность состоит в том, что чип можно модифицировать практически в любой момент использования. Матрицы состоят из конфигурируемых логических блоков — вентилей. Их функции и взаимные соединения можно изменить с помощью специальных сигналов, что принципиально отличает FPGA от других логических матриц, например, применяемых в специализированных интегральных схемах ASIC.
Эти технологии особенно важны для обработки визуальной и аудиоинформации. Кроме того, они являются важной частью так называемого edge computing — граничных или периферийных вычислений, осуществляемых для сокращения времени сетевого отклика, а также более эффективного использования пропускной способности сети. Грубо говоря, EC помогает роботам «думать» там, где они не могут подключиться к локальной сети. То есть полагаться на свой собственный опыт.
Но и технологии связи с сетью не менее важны для роботов будущего. Следовательно, необходимо максимально эффективное использование таких решений, как rapid 5G, чтобы машины могли общаться в режиме реального времени. Таким образом они станут более отзывчивыми и смогут совместно со своими собратьями выполнять сложные задачи в динамически изменяющихся средах.
Ощущения стали
Новейшие микроэлектронные решения улучшат не только «мозги», но и «органы чувств» роботов, позволив машинам собирать массу полезной информации из окружающей среды. Например, CIS — контактные датчики изображения. С их помощью роботы могут видеть и интерпретировать окружающую среду. Датчики маленькие и легкие, но при этом могут получать высококачественные изображения.
Микроэлектроника позволяет роботам и слышать, и даже осязать окружающий мир. Для этого применяются современные тензометры — устройства, измеряющие сопротивление поверхностей. Благодаря им современные машины могут понимать, хрупкий у них в руках предмет или крепкий, твердый или мягкий, и так далее.
Понимать трехмерное окружение, ориентироваться на улице и в помещениях роботам помогает другой тип датчиков — датчиков обнаружения света и определения дальности (лидары). С помощью лазеров они строят 3D-карты. Такие датчики широко применяются в беспилотных автомобилях, роботах-доставщиках.
В такой трехмерной среде робот должен понимать положение собственного тела. Для этого также существует целый ряд самых разных решений. Например, датчики микроэлектромеханических систем (MEMS). Они считывают ускорение, вращение, давление и другие параметры. Кстати, экраны смартфонов «откликаются» на прикосновение как раз благодаря MEMS.
Возможность робота «ощущать» может быть гораздо шире, чем у человека. Например, машины могут быть оснащены датчиками, улавливающими дым, ядовитые вещества, радиацию и мелкодисперсную пыль. Наличие таких «органов чувств» сделает роботов незаменимыми работниками на опасных производствах, где они не смогут полностью заменить человека.
Суставы будущего
Также, как думать, чувствовать и понимать, роботу важно уметь двигаться и механически взаимодействовать с предметами. Для этого ему нужны исполнительные устройства. Развитие робототехники подстегивает разработчиков создавать все более и более совершенные, мощные и компактные сервоприводы — механические устройства, которые могут по команде корректировать свое состояние через обратную связь с «мозгом».
Чем компактнее сервоприводы, тем плавнее и точнее движения роботов. Современные андроиды, например, уже двигаются значительно более плавно, чем их «дедушки» и даже «отцы». «Суставы» разрабатываются в самых разных форм-факторах. Существуют даже плоские сервоприводы.
Создают для роботов и аналоги человеческих мышц на основе электроактивных полимеров (EAP). Эти материалы могут менять форму в ответ на электрические импульсы. В будущем такая технология позволит создавать гибкие приводы, существенно расширяющие подвижность роботов. Здесь же стоит упомянуть SMA — сплавы, способные изменять и запоминать форму. Изменения происходят под воздействием температур или электрического тока.
Двумя наиболее распространенными SMA являются медь-алюминий-никель и никель-титан. Материалы уже используются в робототехнике для создания различных захватов, способных, например, копировать движения человеческих рук. Эта технология, как и EAP, особенно важна для создания полноценных функциональных протезов.
Технология имеет и некоторые слабые стороны. Например, низкую энергоэффективность, медленные отклик и большой гистерезис — зависимость состояния системы от ее истории.
Батарея в груди
Кстати, к вопросу энергоэффективности. Всем устройствам, о которых написано выше, потребуется немало энергии. Для этого разрабатываются более сложные технологии управления энергопотреблением и батареи.
Например, аккумуляторы на жидкостной основе. Они безопаснее классических литий-ионных батарей. Для повышения плотности аккумулятора ученые использовали в качестве электролита раствор галогена с иодид-ионами и бромид-ионами. Они разработали реакцию многоэлектронного переноса, переводящую иодид-ионы в йодистый элемент, а затем в йодат. В процессе зарядки иодид-ионы окисляются до йодата на положительной стороне батареи, а образующиеся ионы водорода выводятся на отрицательную сторону в виде поддерживающего электролита.
Образующиеся в процессе зарядки и разрядки батареи бромид-ионы оптимизируют процесс реакции с водой, улучшая кинетику и обратимость реакции. Ученые объединили катод с металлическим кадмием для формирования полноценной батареи.
Огромную важность также приобретают технологии сбора энергии и беспроводной зарядки.
Тело завтрашнего дня
Полупроводниковые решения играют ключевую роль в развитии робототехники. Объединение их с современными искусственными интеллектами и материалами повлияет на создание роботов будущего, способных полноценно взаимодействовать с человеком, решать сложные цепочки задач и в конечном итоге кардинально изменить и даже трансформировать все сферы человеческой жизни.
