Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Язык кошки скрывает в себе еще больше сюрпризов. Все хозяева кошек знакомы с ощущением наждака при прикосновении кошачьего языка. Грубость поверхности кошачьего языка имеет огромное практическое значение. Однажды, когда докторантка Алексис Ноэль наблюдала, как ее кот Мёрфи лижет одеяло из микрофибры, она увидела, как он сначала застопорился в своем движении, но затем поднажал на язык и высвободился. Задумавшись над тем, почему язык вообще застрял на одеяле, Ноэль взяла образец тканей кошачьего языка и сделала его трехмерную модель при помощи компьютерной томографии. Рассматривая получившиеся изображения, она обнаружила, что язык кошки вовсе не похож на наждачную бумагу, зато снабжен серией гибких когтеобразных гребней, способных зацеплять и вытаскивать спутанные комочки из кошачьего меха. Вот как она это описывает:

Ноэль представила полученные результаты на заседании секции динамики жидкостей Американского физического общества. Она включила в презентацию высокоскоростные фотографии умывания своей кошки, на которых видно, как она изгибает и скручивает язык, чтобы более эффективно распутывать любые встреченные катышки.

Ноэль обнаружила на языке кошки еще один сюрприз. Когда она погрузила образец гребнистой поверхности в воду, то увидела, что крючочки на самом деле пустотелы и втягивают в себя жидкость посредством капиллярного действия. Этот механизм, утверждает она, позволяет кошке доставлять слюну глубоко в толщу меха, чтобы облегчить процесс чистки и распутывания. Ноэль подала патентную заявку на щетку для волос, которая работала бы на таком же принципе.

Изучение процессов лакания и умывания кошки может показаться легкомысленным и бестолковым занятием, но в обоих случаях исследователи предполагают, что их работы помогают понять, как можно создать совершенно новые типы гибких роботов. Мало того, кошачий рефлекс переворачивания в воздухе вызвал серьезный интерес специалистов-робототехников; подвижность животного стала своего рода идеалом и конечной целью в плане маневренности роботов.

В конце июля 1994 г. ученые из Университета Карнеги — Меллона отправились на Аляску с дерзкой миссией — проникнуть в кратер действующего вулкана и собрать данные. Но исследователи, действовавшие по поручению NASA, не собирались спускаться в кратер сами; туда предполагалось отправить «Данте II» — восьминогого автономного робота, который собирал бы образцы токсичных газов и составлял топографическую карту внутренности кратера при помощи лазеров. Робот, соединенный с управляющей станцией на гребне кратера шлейфом, должен был несколько дней ползти вниз, до дна, и примерно столько же обратно.

Миссия эта в основном оказалась успешной. «Данте II» спустился на дно, собрал нужные данные и начал двигаться в обратном направлении. Однако за время операции изменилась погода, и твердый заснеженный грунт превратился в ненадежную и скользкую грязь. На обратном пути наверх «Данте II» поскользнулся на склоне 30°, опрокинулся и застрял. Потребовалось несколько дней, чтобы вытащить из кратера робота, весившего примерно тонну. Первая попытка поднять его из грязи вертолетом не удалась, и это заставило геологов самим принять участие в спасательной операции, что, вероятно, обесценило, по крайней мере символически, идею отправить в такое опасное место робота. Ученые прикрепили к нему трос, который позволил вытащить робота из вулканической горячей точки, чтобы он мог теперь спокойно отдыхать в музее в качестве экспоната — с семью сломанными ногами и разбитым лазерным сканером.

Нельзя сказать, что вариант, при котором робот споткнется, был совершенно неожиданным. Его заранее рассматривали и разбирали со всех возможных сторон — и очень этого боялись. Как сказал Джон Беарс — специалист по робототехнике из Университета Карнеги — Меллона: «В худших своих кошмарах мы видели, как одна из ног погружается в землю и просто не выходит обратно». «Данте II» был разработан с прицелом на статическую стабильность: имея восемь ног, он должен был в любой момент держать более чем две из них на грунте, даже при ходьбе. Благодаря своей конструкции робот был способен автономно передвигаться по пересеченной местности, но ничто в управляющей им программе не позволяло ему вносить поправки в случае неожиданных соскальзываний и падений.

Дело было не в ограничениях конструкции «Данте II», которая на тот момент являлась суперсовременной. Робототехника с давних времен страдала от неспособности машин адаптироваться к сложным условиям среды. Какой-нибудь робот, с легкостью преодолевающий обстановку смоделированного офиса, где мебель имитируется простыми геометрическими фигурами, полностью теряется, оказавшись в сложной обстановке реального офиса.

Но время шло, и появлялись новые стратегии. Когда «Данте II» упал, специалисты по робототехнике как раз пробовали новый подход к конструированию машин; вдохновение в этом новом подходе они черпали из природы, ориентируясь на биологические системы. Эволюция давно уже решила многие из задач, которыми занимаются сегодня создатели роботов, поэтому естественно было обратиться за готовыми решениями к продуктам эволюции. Насекомое, к примеру, может иметь почти такую же форму, что и «Данте II», но при этом оно способно преодолевать чрезвычайно сложный рельеф и даже адаптироваться к потере одной или нескольких конечностей. И любому роботу, предназначенному для функционирования в опасной среде, придется научиться имитировать такое умение. Возникшее при этом новое поле исследований на стыке биологии и робототехники получило название биоробототехника, и падающая кошка стала важным объектом исследований в этой новой области. Оказалось, кстати говоря, что рефлексивное переворачивание кошки роботам необычайно сложно имитировать.

Биоробототехнику можно условно разделить на две подобласти — два поля исследований. Первое — это робототехника, вдохновляемая биологическими идеями; в ней биологические системы изучаются с целью создания новых роботов. Вторая — биоробототехническое моделирование, при котором роботизированные модели животных конструируются для того, чтобы лучше разобраться в биологии животных.

Обе эти стратегии существовали задолго до того, как в оборот было пущено слово робот, даже раньше, чем человеку удалось обуздать электричество и создать первые электрические машины. Автор первых фотографий падающей кошки Этьен-Жюль Марей, к примеру, делал механические модели системы кровообращения, летающих насекомых и птиц. Он использовал эти схемы, как он их называл, для того чтобы понять, как животные живут и двигаются.

По иронии судьбы первую механическую модель падающей кошки — хотя и очень грубую — изготовил в 1894 г. Марсель Депре, который поначалу яростнее всех возражал против кошачьих фотографий Марея. Согласившись в конечном итоге с точкой зрения Марея, Депре опубликовал статью, в которой описал свое устройство.