Барбара Маццолаи хочет создать новое направление в робототехнике

Источник: spectrum.ieee.org

Барбара Маццолаи начала карьеру биологом, но случайная возможность привела её в инженерную сферу и сделала одной из первых исследовательниц биоинспирированной робототехники. Знания о том, как живые организмы решают самые разные задачи, помогли ей создавать роботов, вдохновлённых осьминогами, корнями растений и семенами.

Барбара Маццолаи

Маццолаи считает, что инженерия должна учитывать собственное влияние на природный мир. Поэтому она продвигает новое исследовательское направление — «устойчивую робототехнику».

В манифесте Маццолаи и её коллеги описывают подход к созданию роботов, который должен улучшить отношения между природой, человечеством и технологиями. Они предлагают сделать устойчивость одним из основных элементов проектирования и сократить экологический след технологий, одновременно открывая новые возможности для робототехники и общества.

Ребёнок природы

Интерес Маццолаи к живому миру начался в детстве. Она росла на тосканском побережье Италии, недалеко от портового города Ливорно. Её отец работал инспектором общественного здравоохранения и профессионально занимался микологией. Семья много времени проводила в лесах, изучая местные грибы и растения.

Маццолаи также увлекалась искусством и некоторое время рассматривала возможность связать с ним жизнь. В итоге в 1987 году она поступила в Пизанский университет, чтобы изучать биологию. Её особенно интересовала морская биология, но незадолго до получения степени магистра в 1995 году она заняла исследовательскую должность в Институте биофизики Национального исследовательского совета Италии.

Там Маццолаи изучала круговорот тяжёлых металлов, включая ртуть, между живыми и неживыми компонентами окружающей среды. Она собирала и анализировала образцы воды, почвы, овощей и даже человеческих тканей, чтобы понять влияние этих металлов на здоровье и природу.

Параллельно Маццолаи изучала экологический менеджмент в Scuola Superiore Sant’Anna в Пизе и в 1998 году получила степень магистра.

В это время она узнала, что университет ищет биологов для разработки новых устройств экологического мониторинга. В 1999 году Маццолаи подала заявку, получила эту работу и стала исследовательским ассистентом у известного специалиста по биоробототехнике Паоло Дарио. Сначала она разрабатывала датчики, а затем роботов для контроля воздуха, воды и почвы.

Ещё до поступления в докторантуру Маццолаи в 2004 году получила должность доцента, а вскоре занялась биоинспирированной робототехникой. Вместе с коллегами из Sant’Anna она помогла создать мягкого робота по образцу осьминога. Команда хотела показать, что робот может быть мягким и одновременно прикладывать к окружающей среде значительное усилие — как это делает животное.

Возвращение к учёбе

В 2007 году Маццолаи поступила в докторантуру по инженерии микросистем в Римском университете Тор Вергата, совмещая учёбу с работой в Sant’Anna. Она уже активно использовала методы микроизготовления для создания датчиков роботов и хотела развивать это направление.

По словам Маццолаи, в роботах часто устанавливают датчики восприятия — например, тактильные или проприоцептивные. Обычно они помогают понять положение робота в окружающей среде. Гораздо меньше роботов используют физические и химические датчики, которые позволяют действительно изучать среду, где машина перемещается.

Маццолаи стала руководителем группы в Центре микро-биоробототехники Итальянского технологического института в 2009 году. Там она продолжила работать над развивавшимся направлением биоинспирированной робототехники. Через два года она завершила докторскую программу и стала директором центра.

Семена новых роботов

Примерно в этот период Маццолаи заинтересовалась растениями как моделями для новых типов роботов. Биоинспирация вышла за пределы подражания животным: исследовательницу особенно впечатляло, как эффективно корни изучают подземное пространство. Она предположила, что машины с похожей манёвренностью пригодятся для экологического моделирования и точного земледелия.

Хотя многие биоинспирированные роботы копируют животных, Маццолаи использует и растения. Один из созданных роботов напоминает усик и может обвиваться вокруг других конструкций, как виноградная лоза.

Когда Маццолаи впервые предложила создавать роботов по образцу растений, коллеги отнеслись к идее скептически: растения казались неподвижными организмами. Однако, по её словам, растения постоянно движутся благодаря процессу, который называют неопределённым ростом. Они растут на протяжении всей жизни, меняют форму и поведение в ответ на внешнюю среду, восстанавливаются, чувствуют её и обмениваются сигналами.

Подражать системе, работающей по принципам, отличным от обычной робототехники, было непросто. Маццолаи говорит, что исследователю биоинспирированной робототехники иногда нужны «два отдельных мозга»: биолога и инженера.

Сначала команда подробно изучает организм-образец и принципы, определяющие его работу. Только после этого инженеры пытаются создать робота, который сможет воспроизвести эти принципы. Речь не идёт о копировании живого организма: его трудно повторить, а цели живого существа отличаются от целей машины.

Корни эффективно исследуют почву, потому что уменьшают трение: они растут только на самом тонком кончике, тогда как более толстая часть остаётся неподвижной. Благодаря этому корню требуется гораздо меньше энергии, чтобы пробиваться через землю, чем обычному буру, который проталкивает всю конструкцию сверху.

Чтобы перенести этот принцип в робота, команда Маццолаи разработала миниатюрный 3D-принтер. Он расположен на кончике машины и подаёт термопластичную нить через нагретое сопло, формируя позади себя змеевидное тело. Благодаря этому робот эффективно продвигается сквозь почву.

На кончике также находятся датчики. Они помогают роботу обходить препятствия и обнаруживать поблизости питательные вещества или воду.

Робототехника и устойчивость

Большую часть карьеры Маццолаи заимствовала решения у природы, а теперь хочет, чтобы робототехника учитывала собственное воздействие на неё. По её словам, многие современные технологии, включая пластмассы и автомобильные аккумуляторы, создавались без достаточного внимания к тому, что произойдёт с ними в конце жизненного цикла.

Маццолаи хочет, чтобы робототехника не повторяла этот путь. Так появился предложенный ею и коллегами подход, который они называют «устойчивой робототехникой». У него есть три центральных принципа:

Маццолаи предлагает учитывать жизненный цикл робота уже при проектировании. После завершения полезной службы машину можно будет повторно использовать, переработать или даже подвергнуть биоразложению.

Исследовательница считает, что для этого уже есть все необходимые компоненты. Она также уверена, что такой подход привлечёт будущих специалистов по робототехнике. По её словам, молодые исследователи хотят работать в этой области, потому что видят в ней своё будущее и стремятся создавать технологии, способные помочь на фоне продолжающегося ущерба окружающей среде.