Подводить промежуточные итоги в области робототехники сложно. Что такое создание машин и роботов? Микроэлектроника, которая всем управляет, новые разработки в области механики, или, например, производство отечественных магнитов (о развитии магнитной отрасли на портале «Научная Россия» в декабре было опубликовано интервью с директором ИМЕТ РАН В.С. Комлевым)? Объединяя самые разные науки и технологии, робототехника ставит задачу комплексного развития.
О состоянии отечественной робототехники к концу 2024 г., научных результатах, влияющих на развитие отрасли, и перспективах корреспондент портала «Научная Россия» поговорил с руководителем секции проблем машиностроения и процессов управления РАН академиком Игорем Анатольевичем Каляевым и заведующим лабораторией № 80 «Киберфизических систем» ИПУ РАН профессором РАН Романом Валерьевичем Мещеряковым.
Надо заново выстраивать всю экосистему создания роботов
В Южной Корее на 10 тыс. работников приходится около 1 тыс. промышленных роботов, в Японии около 860, в Германии ― 397, а в России только шесть. Цифры показывают объективное состояние отрасли, которое в ближайшие годы тем или иным способом должно измениться: летом этого года президент РФ В.В. Путин поставил задачу войти в топ-25 стран по плотности роботизации. Это подразумевает установку в нашей стране к 2030 г. около 100 тыс. новых роботов.
Академик Игорь Анатольевич Каляев
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
«В прошлом году только в ЕС было установлено 100 тыс. новых промышленных роботов, а у нас около тысячи, — рассказывает И.А. Каляев. — А всего там работает около 1 млн роботов, занятых в промышленном производстве, а у нас менее 20 тыс. Разница в плотности роботизации в России и других странах очевидна. Хотя современное промышленное производство без роботов представить невозможно, но в России только пять предприятий выпускают ограниченную номенклатуру промышленных роботов, причем разнообразие моделей мизерное ― менее десяти на всю страну. Проблема в том, что у нас нет собственной технологической и компонентной базы, необходимой для создания современных роботов ― нет высокопроизводительных отечественных контроллеров и процессоров, высокоточных приводов, высокочувствительных сенсоров и датчиков и т.д. Поэтому выйти на те масштабы, которые заложены в поручении президента, будет крайне сложно. Нам необходимо заново выстраивать всю экосистему технологий, необходимых для создания современных роботов».
И.А. Каляев отмечает, что при этом целесообразно использовать опыт СССР, где была принята и реализована масштабная программа роботизации. В результате в 80-е гг. прошлого века в стране работало более 100 тыс. промышленных роботов. Конечно, не все было гладко, однако тем не менее тогда мы были мировыми лидерами не только в промышленной робототехнике, но и в столь модной сегодня интеллектуальной робототехнике. В качестве примера ученый рассказал о своем участии в создании интеллектуальной системы управления роботом-планетоходом, предназначенным для исследования поверхности Марса, который разрабатывался в 1980-х гг. в рамках советской космической программы. Из-за задержки телевизионного сигнала между Марсом и Землей, которая могла доходить до 20 минут, управлять таким роботом напрямую с Земли было невозможно, поэтому потребовался искусственный интеллект, который мог бы обеспечивать автономное движение робота по заранее неизвестной пересеченной местности к цели, задаваемой оператором. И такая интеллектуальная система управления была успешно создана: она была оснащена отечественным лазерным дальномером, который сканировал пространство перед роботом. На основании полученных от дальномера данных система анализировала рельеф местности и строила модель среды движения робота, определяла проходимые и непроходимые участки. А планирование маршрута движения робота осуществлялось с помощью однородной нейроподобной структуры (ОНС), причем для ее реализации впервые в мире была создана специализированная микросхема, содержащая 128 нейроноподобных элементов, а также микросборка ОНС, содержащая восемь таких микросхем. С помощью этой ОНС робот мог анализировать всевозможные маршруты движения к цели, минуя препятствия, и выбирать оптимальный маршрут. Интеллектуальный робот-марсоход прошел успешные испытания на специальных полигонах на Камчатке, где имитировалась марсианская поверхность, но, к сожалению, развал Советского Союза не позволил довести работу до конца.
«Таким образом, 40 лет назад мы не только не отставали от Запада в области робототехники, но и по целому ряду направлений опережали их, — подчеркивает И.А. Каляев. — К сожалению, все эти технологии были утеряны, когда было принято, мягко говоря, недальновидное решение о том, что Россия будет продавать газ и нефть, а новые технологии покупать на Западе. В результате теперь нам надо все это восстанавливать заново. К счастью, у нас сохранились знания, которые могут быть использованы при реализации стартующего сейчас национального проекта "Средства производства и автоматизации", в котором объединены три федеральных проекта, в том числе проект "Роботизация и подготовка кадров". Надеюсь, что это даст ускоренный импульс развитию робототехники в нашей стране, что в свою очередь обеспечит возможности достижения целей, поставленных президентом РФ».
Будущее робототехники ― за мозгоподобными вычислителями
«Будущее робототехники сегодня многие связывают с созданием систем управления на основе глубоких нейронных сетей и методов машинного обучения, — отмечает И.А. Каляев. —Именно поэтому в Национальном центре физики и математики, создаваемом в настоящее время в Сарове по распоряжению президента РФ и при поддержке “Росатома”, мы ведем работы по созданию нейроморфных вычислителей, реализующих принципы обработки информации, присущие мозгу человека. Такие нейроморфные вычислители строятся на основе новой элементной базы ― на так называемых мемристорах, то есть резисторах с эффектом памяти, с развитием которых связывается определенный прорыв в аппаратной реализации нейросетевых алгоритмов и мозгоподобных информационно-вычислительных систем».
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Ученый добавил, что прототипы таких нейроморфных вычислителей уже создаются на базе отечественных микроэлектронных технологий. Это позволит в среднесрочной перспективе перейти к серийному выпуску специализированных аппаратных средств на базе архитектуры и принципов функционирования биологических нейронных сетей, обеспечивающих достижение качественно новых характеристик систем принятия решений и управления робототехническими комплексами.
В 2024 г. Российская академия наук присуждала премию им. А.А. Расплетина, ее вручают раз в три года за выдающиеся достижения в области создания радиотехнических систем автоматизированного управления. В этом году наградили профессора РАН Р.В. Мещерякова. Ученый оценил перспективы внедрения нейроморфных вычислительных систем в робототехнику: «Подобные системы, основанные на мемристорах, ― это реализация технологий искусственного интеллекта в виде электроники. Они позволят использовать роботов, чтобы упростить жизнь работников в непривычных пока областях: социальной сфере и здравоохранении. Из разряда дорогих игрушек они перейдут в категорию полноценных рабочих механизмов».
Р.В. Мещеряков также отметил другое важное достижение в области взаимодействия человека и робота. В этом году специалисты ИПУ РАН разработали фундаментальные основы естественного взаимодействия ― на основе привычной речи. Ученые использовали большие языковые модели, многомодальные системы распознавания голоса и видеоряда, а также многие другие данные с сенсорики робота. Объединив различные системы, исследователи смогли не только решать задачи в формате «вопрос — ответ», но и создать поведенческие функции.
«Сейчас появились новые технологии: новые структуры нейронных сетей, более быстрые вычислители, в том числе нейроморфные, — рассказывает Р.В. Мещеряков. — Все это позволяет комплексно обрабатывать информацию и использовать большинство возможностей современной микроэлектроники. Роботы и раньше умели распознавать человеческую речь, но это был определенный и ограниченный набор команд. Теперь у робота появилась модель мира, в которой он живет: роботы стали не просто исполнителями чужой воли, а обладают поведенческими функциями и интерпретируют обычную речь человека в нужные команды».
Профессор РАН Роман Валерьевич Мещеряков
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Таким образом, роботу можно давать команды не в формате «пройди 200 метров в определенном направлении», а с условной формулировкой «зайди за угол, посмотри, не приехал ли автобус». Соответственно, робот должен понимать, что такое угол, за какой именно угол нужно зайти, как выглядит автобус и где он должен остановиться.
«Когда мы говорим человеку “иди вперед”, он, учитывая контекст, обстоятельства и ситуацию, понимает, что значит “вперед”, — объясняет Р.В. Мещеряков. — А куда должен идти робот? Или куда направлены ноги, или куда смотрит камера, или куда смотрит оператор… Мы исследовали и математически описали эту часть».
Взаимодействие группы роботов, энергетика, искусственные мышцы
Перспективная задача в области робототехники ― создание системы, с помощью которой роботы смогут взаимодействовать между собой в группе. Не действия по заранее прописанным алгоритмам, а условное общение и самостоятельное распределение задач. Р.В. Мещеряков говорит, что эффективных решений можно ждать уже в следующем году. А немного позже такая возможность появится у роботов с различными функциями.
«У нас возникает потребность в новых сенсорах, каналах передачи связи, навигации, — подчеркнул ученый. — Роботы должны определять себя во времени и пространстве. Это вопросы постановки целей и правильной формализации поведения робота».
Друзья, коллеги, читатели! Прошедший год был непростым (хотя, когда последний раз был простой год...), но нам всегда есть о чем написать. А значит, наука в России развивается, и очень эффективно. И потому, до встречи в следующем году!
Автор портала «Научная Россия» Александр Бурмистров
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
А более отдаленные перспективы робототехники связаны с новыми решениями в области энергетики, например созданием атомных батареек, которые способны работать десятилетиями. Прототипы уже создают ученые в других странах, но пока им не хватает мощности. А если говорить о создании биоморфных роботов, подобных птицам и животным, или антропоморфных ― человекоподобных, то важнейшим решением может стать создание искусственной мышцы. Пока эти исследования во всех странах остаются на поисковом уровне.
