Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) создали робота размером с птицу, который способен одновременно плавать и летать, используя исключительно движение крыльев. До этого момента ни одна машина такого размера не выполняла эти маневры без использования пропеллеров или внешних систем запуска.
Проект разрабатывался в течение двух лет при сотрудничестве Федерального технологического института Лозанны в Швейцарии и колледжа в штате Вашингтон, США. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science. Чтобы понять, как птицы используют крылья для плавания и полета, команда исследователей проанализировала опубликованные данные о таких видах, как попугаи-моряки и чайки.
Эти данные выявили четкую закономерность: мелкие ныряющие птицы совершают взмахи крыльями около десяти раз в секунду в воздухе и примерно четыре раза в секунду в воде. Этот ритм послужил основой для разработки робота.
Робот весит менее 200 граммов. Его центральная часть содержит водонепроницаемую батарею и двигатель, которые приводят в движение механизм для заданного ритма движения крыльев. Небольшой моторизованный хвост наклоняет нос робота вверх при взлете или вниз во время погружения. Крылья представляют собой тонкие мембраны, покрытые частицами, отталкивающими воду, что облегчает выход на поверхность при старте.
Крылья являются съемными и взаимозаменяемыми. Команда сконструировала три комплекта с размахом от 0,6 до 0,9 метра. Критическим моментом была жесткость: слишком гибкие крылья не могли поддерживать робота в воздухе, тогда как слишком жесткие создавали чрезмерное сопротивление в воде.
Испытания проходили по установленному протоколу. Робота размещали примерно в 0,5 метра ниже поверхности, настраивая крылья и хвост под определенными углами, чтобы проверить, сможет ли он подняться, преодолеть поверхность и взлететь. Эксперименты сначала проводились в резервуаре, а затем на Женевском озере в Швейцарии.
Вблизи поверхности робот плыл со скоростью около 0,9 метра в секунду, совершая около пяти взмахов крыльями в секунду. В воздухе он достиг скорости около 6,1 метров в секунду с аналогичной частотой взмахов — скорость, сопоставимая с настоящими ныряющими птицами.
В настоящее время команда работает над модификацией крыльев, чтобы они также могли вращаться, что позволит роботу маневрировать более реалистично, как живая птица. Также планируются испытания в сложных условиях, включая сценарии с сильными порывами ветра. Целью исследователей является использование этого устройства для мониторинга океанов, делая эту работу более быстрой и недорогой, поскольку суда и стационарные датчики требуют больших затрат и имеют ограниченную мобильность. Кроме того, робот сможет собирать образцы в местах, опасных для человека, таких как загрязненные воды, края ледяных платформ и вулканические озера.
В рамках новаторского медицинского эксперимента гуманоидные роботы впервые осуществили хирургическое удаление желчного пузыря у живых животных. Важно отметить, что машины не действовали автономно и не заменили человеческих хирургов; все движения контролировались дистанционно квалифицированными специалистами, что представляет собой модель сотрудничества человека и робота.
Данное исследование, опубликованное в журнале Nature, подробно описывает проведение двух минимально инвазивных операций на жирных свиньях в ходе доклинического испытания. Исследователи полагают, что если эта технология окажется безопасной и эффективной для применения у людей в будущем, она позволит хирургам проводить роботизированные процедуры удаленно в небольших больницах и клиниках, которые не располагают специализированным хирургическим оборудованием из-за его высокой стоимости.
По словам ассистента-профессора по хирургии из Медицинского факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego), главным преимуществом этого решения является его простота и более низкая стоимость. Он отметил, что «это доля стоимости и занимает долю пространства в операционной», что облегчает его внедрение везде — от сельских районов до поля боя и космоса.
В эксперименте использовался гуманоидный робот Unitree G1, произведенный китайским производителем Unitree. Базовая версия оборудования, оснащенная практически нефункциональными руками, стоит от 13 500 долларов США (69 100 бразильских реалов), плюс расходы на доставку от 300 до 1 200 долларов США (1 500 до 6 100 бразильских реалов). Однако добавление компонентов, считающихся необходимыми, таких как роботизированные руки с большей ловкостью, может поднять цену выше 67 000 долларов США (343 100 бразильских реалов).
Тем не менее, эта цена значительно ниже, чем у специализированных хирургических систем, таких как Da Vinci Surgical System от Intuitive Surgical, стоимость которой варьируется от сотен тысяч до нескольких миллионов долларов. Кроме того, размер является отличительной чертой: в то время как система Da Vinci может весить около 815 килограммов и требует большого пространства в операционных, Unitree G1 имеет высоту примерно 1,5 метра и весит всего 27 килограммов, что упрощает его использование в меньших клинических условиях и отдаленных регионах.
Несмотря на это, исследователи подчеркивают, что система Da Vinci уже имеет одобрение FDA, регулирующего органа США по пищевым продуктам и лекарствам, а также разрешение других органов здравоохранения, будучи проверенной в различных клинических испытаниях для разных типов хирургии. Гуманоидные телеуправляемые роботы остаются на экспериментальной стадии, даже после успеха, достигнутого в операциях на животных.
Чтобы сделать эксперимент возможным, команде UC San Diego пришлось разработать специальные адаптации для робота, получившего название «Surgie». Исследователи создали физические адаптеры, позволяющие гуманоиду удерживать хирургические инструменты, а также разработали программное обеспечение, способное преобразовывать интуитивные движения рук хирурга в точные команды для инструментов, установленных на запястьях робота.
Управление осуществлялось хирургом с помощью компьютера, оборудованного стереоскопическими дисплеями, подключенными к гарнитуре, что позволяло визуализировать процедуру. Педаль служила для подключения или отключения движений рук оператора относительно хирургических инструментов. При первой операции на жирной свинье хирург находился рядом с роботом в качестве ассистента. Во второй операции два телеуправляемых гуманоида одновременно участвовали в процедуре.
Исследование также выявило ряд препятствий, которые пока мешают клиническому внедрению этой технологии. Во время операций команде приходилось прерывать процедуры на несколько минут для повторной калибровки роботов с целью повышения их точности или для физического перемещения их рук и корпуса относительно медицинских инструментов. Как указано в UC San Diego Today, в результате операции занимали «намного больше времени, чем при использовании существующих специализированных хирургических систем».
Другое ограничение связано с физической структурой самого Unitree G1. Робот имеет размах рук всего 450 миллиметров, тогда как взрослый человек имеет досягаемость от 1,6 до 1,8 метра. Эта разница ограничивает зону действия удаленных операторов. Более того, ограничения подвижности роботов в сочетании с необходимостью частой калибровки увеличили когнитивную и операционную нагрузку на хирургическую команду.
Исследователи также отметили, что задержка — временной лаг между движением, выполненным человеком-оператором, и его выполнением роботом — представляет собой еще одну важную проблему для будущих удаленных операций. Современные системы гуманоидных роботов демонстрируют задержки в сотни миллисекунд, в то время как предыдущие исследования предполагают, что хирургические системы должны работать, в идеале, с задержкой менее 150 миллисекунд. Тесты также показали, что как опытные хирурги, так и ординаторы выполняли тренировочные задачи быстрее, используя элементы управления комплекта Da Vinci Research Kit, который считается эталоном в телероботизированной хирургии, нежели управляя гуманоидными роботами.
Несмотря на существующие ограничения, исследователи утверждают, что продолжают совершенствовать систему, изучая новые области применения. Майкл Ип, профессор электротехники и компьютерных наук из UC San Diego, заявил, что одной из целей является разработка «автономного хирургического ассистента», способного помогать врачам в общих задачах, таких как поиск инструментов или даже уборка операционных. Ип подчеркнул, что «телеуправляемые и автономные гуманоидные роботы имеют реальный потенциал для расширения доступа к критически важным операциям, к которым пациенты иначе не смогли бы попасть», что может помочь справиться с кризисом здравоохранения не только в Соединенных Штатах, но и во всем мире. Тем не менее, многие ведущие исследователи в области робототехники сходятся во мнении, что универсальные роботы, способные работать полностью автономно, особенно вблизи людей и с гарантией безопасности, еще далеки от полной реализации.
