Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Хотя кошачий хвост в подобных маневрах куда менее эффективен, чем хвост ящерицы, экспериментальные исследования показали, что кошка тоже пользуется хвостом для равновесия. Здесь вновь на сцену выходит высокоскоростная фотосъемка. Ученые снимали кошек, идущих по узкой балке, которую внезапно сдвигают в сторону. Видеосъемка показывает, что кошки при этом делают взмах хвостом, пытаясь уравновесить неожиданное движение.

Другие существа выработали в процессе эволюции еще более необычные методы управления тангажем, и эти методы также начинают использоваться в робототехнике. Обнаружено, что пауки-скакуны семейства Salticidae, прежде чем прыгнуть в воздух, прикрепляют к своему насесту каркасную шелковую нить; контролируя натяжение этой нити по мере ее удлинения, они могут управлять наклоном тела, чтобы приземлиться всеми ногами. В 2015 г. исследователи из Университета Кейптауна продемонстрировали, что робот тоже мог бы использовать эту стратегию. Их робот «Лип» («Линейно-оснащенная автономная платформа» — Line-Equipped Autonomous Platform, LEAP) для максимальной легкости был построен на шасси из кирпичиков LEGO Technic; получившийся в конечном итоге аппарат весил 88 г. Этот робот самостоятельно определял, когда нужно активировать контроль нити, при помощи собственного варианта вестибулярной системы — акселерометра. Находясь на стартовой платформе, робот испытывал на себе действие нормальной силы тяжести; после прыжка исчезновение силы тяжести служило для него сигналом к началу управления нитью, — примерно так же, как рефлекс переворачивания у кошки активируется ощущением невесомости.

Чем дальше исследователи изучают движение животных, тем больше они обнаруживают различных методов самостоятельного переворачивания в воздухе. В статье, заголовок которой может, пожалуй, претендовать на второе место — «Воздушные маневры прыгающих лемуров» (Aerial Maneuvers of Leping Lemurs), — Дональд Данбар из Университета Пуэрто-Рико исследовал необычные способы смены ориентации в воздухе у кольцехвостых лемуров. Лемур часто прыгает, находясь высоко на дереве лицом к стволу; при этом он способен перепрыгнуть на другое дерево и оказаться на нем тоже лицом к стволу. В этом случае лемур использует две стратегии: он начинает поворот, когда еще держится за дерево — «Модификация момента импульса до отрыва от земли», и подправляет при помощи хвоста свое вращение перед приземлением — «Изменение ориентации тела посредством движения конечности».

Даже крылатые существа пользуются необычными техниками самоориентации. В 2015 г. исследователи из Университета Брауна продемонстрировали, что очковые листоносы и более мелкие коротконосые крыланы при выполнении замечательно быстрых воздушных маневров управляют инерцией своих крыльев. Эту стратегию можно рассматривать как аналогичную модели «подожмись и поворачивайся» у кошек, только роль двух половинок тела кошки здесь играют крылья. Если поджать одно крыло, то второе будет разворачивать тело мыши гораздо сильнее. Исследователи предполагают, что знание этой техники поможет расширить возможности и улучшить маневренность летающих роботов.

Но строились ли где-нибудь реальные физические модели роботизированных кошек? Еще в 1992 г. японские исследователи изучали модель переворачивания кошки типа «сложись и крутись» методами робототехники; возможно, именно их робот был первым реальным роботом, основанным на принципе падающей кошки. Оригинальная статья вышла на японском языке; в 2014 г. один из авторов, Такаси Кавамура из Университета Синсю, опубликовал краткое описание работы на английском языке. Эта модель кошки немного напоминала механическую кошку Галли из двух цилиндров, соединенных гибкой перемычкой, но в ней использовалась активная схема управления. «Мышцы» представляли собой исполнительные устройства на пневматической тяге, что позволяло активно контролировать робота в свободном падении. Однако целью японцев было не создание универсального самопереворачивающегося робота, а всего лишь проверка гипотезы «сложись и крутись».

Большая часть работы по роботизированным кошкам относится к самому последнему времени и находится пока на начальных этапах — в основном, кажется, из-за трудностей с разработкой надежной управляющей системы. В 2013 г. исследователи из Аделаидского университета провели моделирование робота, имитирующего падающую кошку. Столкнувшись с разнообразием предлагаемых стратегий переворачивания в воздухе, ученые австралийской группы решили сосредоточиться на разработке робота, способного воплотить оригинальную модель Марея «подожмись и поворачивайся». Их моделирование, которое вы можете здесь видеть, предсказывает переворот кошки немногим больше чем за полсекунды. Исследователи планируют построить работающий прототип.

В 2014 г. группа Карен Лю из Технологического института Джорджии сумела построить по образцу кошки робота, способного динамически подправлять свое положение в воздухе, чтобы принять нормальную ориентацию. Внешне этот робот не слишком похож на кошку. Он построен в виде трех соединенных шарнирами секций, которые способны сгибаться независимо друг от друга и управлять ориентацией по Кауфману, при помощи неголономного планирования движения. Их робот был не готов к скорости и ударам реального свободного падения, поэтому исследователи испытывали его в скольжении вниз по наклонной доске, с многообещающими результатами. Работа привлекла к себе внимание всей страны, хотя некоторые статьи представляли ее выводы с некоторой иронией: «Так что в далеком будущем, когда вы увидите, что со скалы на вас сверху прыгает ужасный робот, вы сможете сказать, что во всем виновата кошка».

В 2017 г. и другие группы добились значительного прогресса в задаче о падающей робокошке. В ходе совместного проекта исследователи из Британии и Ирана разрабатывали модели робокошек возрастающей сложности — из двух секций, затем из трех, затем из восьми — и проектировали для машины систему управления, которая избегала бы «сингулярностей», то есть умела бы обходить проблему буриданова осла. Постройка прототипа планируется.

Стоит упомянуть также падающего робота, которого спроектировали Морган Поуп и Гюнтер Нимейер в лаборатории сети Disney Research в 2017 г. Их машина вообще не похожа на кошку. Она выглядит как обвешанный схемами кирпич, называется подходяще — «Бинарный роботизированный инерциально управляемый кирпич» (Binary Robotic Inertially Controlled brick, BRICK) — и меняет ориентацию в воздухе согласно представлениям Максвелла. Кирпичу перед падением придается быстрое горизонтальное вращение, а далее он внутренне управляет своим моментом инерции и меняет тем самым скорость вращения. Ученым удалось показать, что такой робот способен самостоятельно менять ориентацию в достаточной степени, чтобы успешно пролететь сквозь отверстие в форме кирпича.

Первый, возможно реальный электронный прототип робота, имитирующего падающую кошку, внешне хотя бы отдаленно напоминающий кошку, построили три китайских исследователя — Цзясюань Чжао, Лу Ли и Баолинь Фэн. Модель кошачьего переворачивания, которую они используют, основана в первую очередь на методе «сложись и крутись», но при этом ногам робота позволено свободно болтаться на шарнирах, чтобы оптимизировать движение. Сам робот, хотя и производит сильное впечатление, действует, судя по всему, по заранее прописанному жесткому алгоритму и не оценивает оптимальные для приземления движения на лету, как это делает реальная кошка. В робототехнике падающей кошки полное согласование математики и механизмов пока не достигнуто.