Роман Усатов-Ширяев, Robotikum: о роботе-бабочке, хирурге — и о том, что у них общего

Роман Усатов-Ширяев — генеральный директор группы Robotikum. Родился в Кирове. Окончил физический факультет СПбГУ в 1994 году.

«Образовательная робототехника» — резидент фонда «Сколково», представленный на международном рынке брендом Robotikum. Ядро компании составляют представители Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбГПУ), шведского университета Umea, норвежского NTNU (Университета науки и технологий) и Санкт-Петербургского государственного университета. Компания ведет свою деятельность с 2011 года, лаборатория компании с 2015 года находится в СПбГПУ.

Как контактное жонглирование вдохновило на создание нового вида роботов

— Как возникла идея создать робота в виде бабочки?

— Человек совершает разные движения. Их можно разбить на две большие группы — манипулирование с захватом и манипулирование без захвата. Например, играет баскетболист — он манипулирует мячиком. Мяч большой и в ладонь не помещается, поэтому спортсмен манипулирует наклоном ладони, скоростью и силой, которую прикладывает к мячу.

Ученые задались вопросом, почему в технологически развитом обществе нет подобных роботов. Кевин Линч, на тот момент аспирант Университета Карнеги-Меллона, сформулировал модельную задачу создания системы управления роботом-бабочкой, вдохновившись контактным жонглером Майклом Мошеном. Мошен изобрел такой вид жонглирования, когда не подкидывают предметы, а перекатывают их. Там есть такое движение: перекатывание шарика с одной стороны ладошки на другую через пальцы. Это движение называется «бабочкой». Отсюда пошло и название робота.

Майкл Мошен — американский жонглер. В 1980-х развил концепцию контактного жонглирования. Техника основана на взаимодействии тела и объекта друг с другом. Визуально кажется, что шарик движется сам по себе, парит над руками.

Движение «бабочка» — одно из базовых в контактном жонглировании. В киномюзикле «Лабиринт» 1986 года Дэвид Боуи выполняет трюк с прозрачным шаром. На самом деле жонглировал Майкл Мошен, стоящий за спиной Боуи.

Университет Карнеги-Меллона — частный университет и исследовательский центр, расположенный в Питтсбурге, США. В 2018 году занял первое место в подготовке компьютерных специалистов в Штатах.

Кевин Линч — профессор Северо-Западного технологического института, США. Директор и основатель Центра робототехники и биосистем.

Трудно смоделировать это движение: нужно четко контролировать скорость за счет наклона ладошки, ускорение можно придать шарику, только подгоняя его по определенному углу наклона. Но мы в 2009 году придумали математический метод — как решать подобные задачи. Правда, тогда мы не знали, что много людей уже пытались решить эту задачу, и у них ничего не вышло.

— В чем заключается основная технология этого робота?

— У нас получился такой гейм: восьмерка, по которой шарик должен закатиться в горку или скатиться с нее. Ускорение шарика меняется, и нужно за счет обратной связи, в данном случае камеры, компенсировать это ускорение двигателем. Ускорять движение либо тормозить так, чтобы шарик не упал.

Если известна траектория, по которой нужно манипулировать объектом, алгоритмы управления механикой компенсируют внешние возмущения, если они возникнут на пути следования.

Представьте себе, летит беспилотный коптер или самолет из точки А в точку Б по определенной траектории. У него отказывает один из двигателей. Это и будет внешнее возмущение. Или дует боковой ветер, или дорога скользкая. Благодаря датчикам система компенсирует отклонение объекта и вернет его на исходную траекторию.

В случае с беспилотником боковой ветер будет компенсирован поворотом двигателей или их мощностью. Если автомобиль скользит и начался занос, колеса будут вращаться так, что быстро вернут его в исходное положение.

— Насколько точные движения можно осуществлять такими алгоритмами?

— Приведу пример с человеческой рукой. Например, робот-хирург должен резать скальпелем тело. Тело чуть прогибается под ножом, система распознает это как некое возмущение и автоматически компенсирует усилие и скорость в режиме реального времени. И разрез будет идеально ровным.

Манипуляторы, которые уже существуют, управляются хирургами, они не делают операции автономно. А операция, которую я описал, может быть сделана без участия человека. Наша бабочка показывает, что эти методы работают.

Как точные модели помогут роботам делать ювелирную работу

— Какие еще разработки вы ведете, кроме робота-бабочки?

— Основная концепция нашего изобретения заключается в том, что мы можем моделировать движение манипуляторов до их создания. И эти модели будут высокой точности, по сути, это «цифровой прототип».

То есть вместо того, чтобы делать манипулятор, а потом заниматься его движением, сначала моделируем движение, а под него создаем компоненты для физической реализации. Эти компоненты представлены в широком диапазоне: много разных комплектующих.

Проект, над которым мы работаем, связан с адаптивной полировкой лопаты компрессора. Все двигатели состоят из большого количества лопаток, похожих на лопасти вентилятора. Они насаживаются на вал и там крутятся, это их основная задача. От качества финишной обработки лопатки зависит эффективность работы двигателей. Все этапы, кроме финишной полировки, люди научились делать автоматически. Лопатки автоматически отливаются, первично химически обрабатываются. А на последнем этапе в руку ее берет человек и делает финишную полировку. Похоже на то, как точат ножи на шлифовальном круге. Это практически ювелирная работа.

Эта операция нигде в мире не роботизирована в силу того, что нет роботов, способных точно почувствовать, где сильнее и как точнее приложить лопатку к шлифовальной ленте, где ослабить нажим и с какой скоростью провести. Мы разрабатываем роботизированную ячейку, которая без участия человека будет полировать лопатки.

— Где еще можно применить такие точные манипуляции?

— Тот же робот может делать медицинскую диагностику. Сейчас вы приходите в медицинский кабинет, и медсестра берет в руки сканер. В зависимости от того, что вам нужно продиагностировать, прикладывает сенсор и начинает водить по вашему телу, смотрит на экран.

Мы работаем над проектом, который убрал бы человека из этой операции. Вы приходите в кабинет, робот распознает, мужчина вы или женщина, какая у вас конституция, где нужно приложить к телу сенсор. Очень важно, чтобы человек вышел оттуда живой. Чтобы робот людям ребра не сломал, ничего не повредил.

У нас огромная страна, а люди живут в узкой полоске. На многих территориях машины могли бы заменить людей. Хорошо бы создать роботов, которые без участия человека будут валить лес, добывать полезные ископаемые или обслуживать морской путь.

А наша бабочка — кейс для образовательного курса, который состоит из достаточно жесткой математики, понятной магистрантам старших курсов.

В аналитическом отчете лаборатории робототехники Сбербанка за 2018 год говорится, что рынок промышленной робототехники вырос на 12% за последние пять лет, это больше, чем рост мирового ВВП. Наибольший вклад в этот рост внесла активная роботизация китайских производств.

Рынок сервисной робототехники рос еще быстрее. Общий объем рынка профессиональных сервисных роботов достиг $4,7 млрд в 2016 году.

91% всех промышленных роботов работали в отрасли обрабатывающей промышленности.

— В каких вузах это преподают?

— За прошедшие два года мы внедрили программу в несколько университетов США и Европы. Сначала это были университеты Монпелье (Франция), NTNU (Норвегия), Королевский технологический институт в Стокгольме, Университет Умео в Швеции, Университет Сапиенца в Риме и Университет Федерико II в Неаполе. Этой весной прочитали краткие курсы в университете MIT (Массачусетский технологический университет), Университете Мичигана, Университете Торонто и вот, наконец, в этом году решили прочитать курс на мехмате МГУ в России.

Почему в России возможно сотрудничество и сколько стоит создание роботов

— Как достигаются все критерии безопасности роботов — чтобы они никого не могли убить?

— Для каждой отрасли существует процедура разработки медицинских приложений. Представьте себе, что с помощью нашего подхода можно сделать роботизированную ногу, которую можно купить в магазине, а ПО и алгоритмы подстроятся уже под конкретного человека. Подбираете протез по размеру ноги, а она интегрируется и понимает, как вам оптимально устоять на ногах и переносить тело.

Роботизированных приложений можно сделать очень много, но для каждого приложения требуется работа с отраслевым партнером-заказчиком. Мы возлагаем надежды на сертификацию таких разработок и компании, которые заказывают нам такие разработки. Мы создаем библиотеку движений, доводим до промышленного образца, а задача компаний-заказчиков — запустить их реализацию.

Робот-бабочка не требует сертификации. Мы берем сертифицированные компоненты для его сборки. Эта установка безопасна и доступна для обучающихся пользователей.

Мы создавали робота, с которым человек мог бы работать, выдвигать гипотезы и проводить эксперименты с максимальной безопасностью.

— Robotikum — резидент «Сколкова». Но ваши разработки имеют больший спрос за рубежом, чем в России. С чем это связано?

— У нас в стране очень сдержанное отношение к робототехнике и устоявшаяся инженерная школа, которая до недавнего времени считала, что любого робота можно сделать за счет подбора механизмов и двигателей. Традиционно считается, что главное — это компоненты, железо, а самый главный человек в робототехнике — инженер-конструктор.

Мы немножко ломаем стереотипы. На Западе чуть раньше пришли к мысли, что компонентная база уже опередила в возможностях алгоритмы, которые должны управлять элементами в системе. За рубежом более пристально следят за новшествами и смотрят в сторону алгоритмов управления движением. Новые подходы по их построению, разработанные у нас недавно, в Европе и Америке были смоделированы два, а то и четыре года назад.

— Выгодно ли создавать рынок робототехники? От чего зависит цена на роботов и сколько стоят ваши устройства?

— Если мы разрабатываем уникальный механизм, он будет стоить дорого. Я всегда привожу в пример Царь-пушку и Царь-колокол. Это впечатляющие артефакты, но они были очень дороги в изготовлении и не масштабируемы. Нас же интересуют роботы, которые будут помогать в повседневной жизни. Но возможности под каждого конкретного человека создавать отдельного робота нет. И если мы моделируем движение, строим такое управление, которое работает на различных типах манипулирования, то конечное изделие будет стоить очень дешево.

Преимущество России, в частности экосистемы Фонда «Сколково» — в коллаборациях. На Западе университеты не склонны к коллаборациям, они хотят всё разрабатывать внутри себя. В России сотрудничество возможно. До конца года собираемся запустить сетевую лабораторию, объединив на нашей платформе специалистов центров разных университетов по математическому моделированию движений. Это существенно ускорит процесс разработки самой теории и новых продуктов.

Разработка любого робота, который решает какую-то полезную задачу, требует десяти подготовленных человек и двух лет работы. Тогда из теории появится конечный продукт: робот, который будет работать на производстве, в медицине, помогать человеку в повседневной жизни.

Когда нет рынка, выгоднее его создавать. Различные исследовательские группы в университетах сфокусированы на разных приложениях. И, если есть университет, который сфокусирован на технологиях управления беспилотными летательными аппаратами, то мы обучим их нашей теории и не претендуем на аппарат, который они создадут. Это им поможет создать конкурентоспособный продукт.

По данным IFR, повышенный спрос на роботов провоцирует уменьшение их стоимости. В 2016 году в среднем за промышленного манипулятора просили $45 500, год спустя средняя цена опустилась $44 000. При этом спрос на дешевый сегмент занимает всё большую долю рынка.

Робот, работающий вместо человека — дело недалекого будущего

— Как должны выглядеть роботы, предназначенные для обучения, медицины или других целей?

— Для каждой сферы они выглядят по-разному. Но у всех должен быть человекоориентированный интерфейс. Например, человек хочет оставаться активным до конца своих дней, но тело дряхлеет. И у него возникают определенные этические проблемы, требуется уход. Удобно, чтобы безликая железяка так же нежно, как человек, смогла бы приподнять, причесать старушку, сделать ей маникюр, усадить на кресло-качалку и вывезти в свет. Дала возможность пообщаться как полноценный человек. А потом бы привезла обратно, расстелила кровать, умыла и пожелала на ночь спокойного сна. В этом случае робот должен иметь какие-то черты человека, чтобы нам было приятно воспринимать его как помощника.

Если мы рассматриваем робота-работника склада, то не обязательно, чтобы он выглядел как человек. Здесь важно, чтобы предмет был перемещен из пункта А в Б и по дороге не разбился. Amazon показывает, что различные платформы и тележки прекрасно с этим справляются.

Дизайн и конструкция определяются исключительно практической стороной. Чтобы робот был оптимальный по цене и функционалу. Но нас окружает антропоцентричный мир: дверные ручки находятся на определенной высоте, ступеньки сделаны под шаг человека. Поэтому логично сделать человекоподобным робота-помощника, если мы хотим, чтобы он и грибы собирал, и купался с нами, и в лифте ездил.

Ученые создали робота размером с пылинку. Брюс Дональд из Дартмутского Колледжа сделал своего наноробота полностью автономным и управляемым, при этом размеры устройства составляют 0,25 мм в длину и 0,06 мм в ширину. Пока он может перемещаться только по специальной поверхности, через которую и получает питание.

Гигантского робота высотой 8,5 м создал Масааки Нагумо, инженер японской сельскохозяйственной компании Sakakibara Kikai. Изобретатель вдохновлялся любимым аниме и собрал робота для удовольствия: гигант не может покинуть стены завода, потому что не проходит в двери. Гигант ходит вперед-назад, поворачивает тело вокруг своей оси, а также стреляет поролоновыми шариками из пушки.

— В какой деятельности и профессиях роботы всё же заменят людей?

— Робототехника раскрывается в разных областях. Мы смотрим на нее с точки зрения задач манипулирования. Любые сложные задачи, где умение управлять человеческой рукой является критичным. Прежде всего это какие-то опасные производства. Вредные не по технологическому процессу, а по условиям.

В частности, где нужно работать в холоде или некомфортных условиях. Чтобы человек работал на Дальнем Востоке, нужна социальная инфраструктура — транспорт, дороги, дома, школы, электричество и прочее. Но если там будут роботы, которым такие условия не нужны и которые могут работать как человек или лучше, вопрос будет решен. Такие перспективы существуют, это дело не совсем далекого будущего.