
Почему люди не летают, как птицы?

ХЕНРИК ФРОНЦЕК: «Мы учимся у природы»
Вы отвечаете за будущие концепты продукции компании Festo. Почему за поиском новых решениий в области технологиий автоматизации вы обратились к природе?
Природа оптимизирована миллионами лет эволюции. Поэтому мы пытаемся изучить ее «находки» и возможность их применения в современном производстве. В результате инженеры не только находят какие-то решения, они учатся и совершенствуются сами. Такои? подход объединен в специальном разделе биологии и технологии — бионике. Уже сеи?час наши инженеры думают на пять лет вперед, а лучшие ученые — на десять, чтобы воплощать концептуальные идеи, почерпнутые у природы, для совершенно новои? завтрашнеи? сверхпроизводительности производства.
Как этот подход выглядит на практике?
Приведу пару конкретных примеров. Была выявлена потребность в захвате объектов без затрат энергии. Инженеры совместно с биологами стали искать нечто похожее в природе. Оказалось, что лапы геккона устроены таким образом, что позволяют лазать по любым, даже гладким поверхностям, вверх ногами. В итоге на основе этих наблюдений был создан прототип захвата.
Другая ситуация. Биологи изучили феномен рыбьего хвоста. Затем уже наши инженеры стали думать, как это можно использовать в промышленности. Так родился адаптивный захват на основе этого принципа.
А в целом здесь нет одной и той же методики или алгоритма. Всегда есть место творчеству и все, порой даже безумные, идеи на стыке биологии и техники попадают в «котел» нашей команды.
В чем особенность переноса натурного опыта непосредственно в технику?
К сожалению, не все так просто, не все из природного мира возможно использовать и внедрить в технологии. Например, хвост рыбы, идею которого мы использовали. Его особенностью служит то, что приложенные силы начинают действовать в противоположном направлении. Саму структуру можно смело применять при захвате различных предметов, что мы и используем сейчас в конструкции наших захватов (рис. справа). Но нам не сразу удалось преобразовать «рыбийхвост» в устройство захвата. И все-таки подражание природе позволяет получить решение быстро, ведь у нас нет того времени, которое имела эволюция. У нас есть модель, почерпнутая из биосферы, например тот же хвост рыбы, и дальше мы ищем области применения этой механической системы в промышленности, получаем обратную связь от потребителей и в финале создаем продукт, который можно использовать на производстве.
Как быстро вам удается постичь загадки природы и применить ее решения в ваших продуктах? Кто входит в команду изобретателей?
Мы делаем три-четыре проекта каждый год, чтобы продемонстрировать наши результаты в исследованиях этого вопроса. В этом году мы создали искусственного кенгуру. В международную команду изыскателей входят ученые и исследователи, профессора и студенты. Они ищут оптимальные ответы на вопросы, которые перед нами ставит сегодняшний мир и производство в будущем.
Какие энергоэффективные решения вам удалось почерпнуть у биосферы?
Если посмотреть на «фабрики будущего», можно увидеть, что идеи из природы находят все больше и больше мест в энергоэффективности.
Вы никогда не задумывались, почему птицы летают, а люди нет? При разработке проекта механической чайки SmartBird (рис. слева) мы выяснили, что птицы могут совершать продолжительные полеты благодаря оптимальному соотношению массы и функциональности. Мы создали прототип SmartBird, потому что хотим понять, как эта система энергоэффективности работает. Сегодня мы можем запустить эту птицу очень эффективно — на 20 минут с использованием одной батарейки для телефона. Это требовало изучения аэродинамики и технологий легких и прочных материалов. В итоге показатели живой птицы были нами сымитированы на 85%.
Источником вдохновения к созданию BionicKangaroo (рис. ниже) для нас послужил особенный способ передвижения. Кенгуру может накапливать энергию приземления и использовать ее для нового прыжка. На примере кенгуру мы видим экстраординарное решение. Мы выбрали это животное, потому что для нас было своеобразным вызовом изучить систему и понять, как сочетать такие возможности в наших технологиях. BionicKangaroo — это интеллектуальная комбинация технологий пневматики и электрики. Он создан на базе стандартных продуктов каталога Festo: круглые пневматические цилиндры с распределителями для основной энергии прыжка, электродвигатели для вспомогательных движений и удержания равновесия, контроллер CECC для управления всей системой. Возобновление энергии — это лишь часть процесса; изучить этот процесс — вот главная задача создания BionicKangaroo. И мы будем внедрять эти технологии рекуперации энергии в производственные продукты. Отмечу, что было весьма сложно организовать систему координации, поскольку настоящий кенгуру использует баланс головы и хвоста при перемещении, когда изменяется центр масс.
Какие еще направления входят в сферу ваших интересов?
У биосферы многое можно позаимствовать. Например, если говорить о коммуникативном поле, обмен информацией помогает видам выживать и находить еду — очевидное достижение для отдельно взятой группы. И мы воплотили это в проекте с медузами (рис. справа). Они сделаны для специфической роли: самостоятельно передвигаться к зарядному устройству, что является необходимым условием «выживания». Машины будущего смогут общаться между собой, коммуникации станут ключом производства будущего.
Самоорганизация — это также совершенно новыи? уровень. Коллектив является очень важным элементом природы. У нас есть проект по захвату особых частей, здесь мы используем интеллектуальное исполнение в сумме с самоорганизацией. Например, микроконтроллер, встроенный в маленькую систему и управляющии? многими ее элементами. Интеллектуальные компоненты и самоорганизация будут настоящими трендами будущего.
Функциональность. Вы знаете, почему стрекоза может летать и как самолет, и как вертолет, имеет возможность смотреть одновременно на 360°? Зачем природа «улучшала» стрекозу в течение более чем миллиона лет и внезапно остановилась на такой конструкции, подразумевая, что она полностью оптимизирована? На данный момент стрекоза способна ловить по 200 других насекомых в день. Множество мышц, биодатчиков, и все это в таком крохотном теле — вот повод еще раз задуматься об энергоэффективности (рис. ниже).
Взаимодействие человека и машин. Человек не будет полностью исключен из процесса производства в будущем. Но взаимодействие машины и человека будет упрощено. Например, наблюдение и мониторинг ситуации через планшет или смартфон с возможностью вмешаться, если потребуется.
Другая тема — совместная работа человека и робота. Сейчас это невозможно из-за соображений безопасности. Наши концепты Bionic Handling Assistant и ExoHand демонстрируют на практике, как можно решить этот вопрос в будущем. Манипулятор Bionic Handling Assistant (рис. ниже), сделанный по подобию хобота слона, сконструирован из гибких материалов и не способен нанести вред человеку.
Захват ExoHand со встроенными тактильными датчиками демонстрирует интеллектуальный способ взаимодействия.
Каковы, на ваш взгляд, тренды будущего? Какую роль вы отводите себе в научно-техническом прогрессе?
В будущем все будет заточено на энергоэффективность, на большую отдачу с меньшей площади. Производство будущего требует от нас поиска новых решений, которые можно будет внедрить и поддерживать затем в рабочем состоянии. Они должны быть самоадаптирующимися и с маленьким потреблением энергии. Мы говорим о самоорганизации и самоадаптации, коммуникациях, изучении эффективности и стратегии, с помощью которой можно будет уменьшить сложность продукта. И, благодаря бионике, у нас есть лучшее понимание того, как это сделать.
В робототехнике сейчас активно развиваются бионические подходы. Способ не новый, если вспомнить принципы работы самолетов, вертолетов, подводных лодок или даже простой застежки-липучки, но в современной робототехнике это мощная волна. Мотивация понятна: брать на вооружение механизмы, отточенные и доказавшие эффективность за миллионы лет эволюции.
Яркими примерами таких разработок являются роботы компании FESTO, создаваемые в рамках глобальнои? инициативы Bionic Learning Network, запущенной в 2006 г. За годы исследований компания продемонстрировала робототехнических рыб, медуз, скатов и пингвинов (рис. справа), способных двигаться как в воде, так и в воздухе, а также стрекозу BionicOpter и чаи?ку SmartBird, а в апреле этого года представила копию
своего первого млекопитающего со сложной кинематикой — BionicKangaroo, который способен, как и настоящий кенгуру, запасать и правильно расходовать энергию во время прыжков. Творения FESTO неизменно привлекают внимание потому, что не только заимствуют определенные принципы движения, но практически полностью внешне копируют свои прообразы.