Робот, которого я не ожидал создать

От ATRIAS к Digit

Хёрст хотел создавать роботов, которые умеют ходить и манипулировать предметами, перемещаясь и взаимодействуя с миром, как люди. Его интересовала точность движений и способность приспосабливаться к законам физики. В 2008 году, когда он основал Лабораторию динамической робототехники при Университете штата Орегон, команда взяла за основу теорию, развивавшуюся десятилетиями в биомеханике: простая модель «пружина — масса» — тело на ногах, работающих как пружины, — должна уметь воспроизводить все известные походки и виды бега животных.

Эту идею воплотили в двуногом роботе ATRIAS. Его название расшифровывается как «Предположим, робот — это сфера» — шутка физиков о том, как свести сложную систему к простейшей модели. ATRIAS напоминал большую микроволновку на ходулях: он был создан, чтобы показать физику ходьбы и бега, а не походить на человека. Но когда робот переходил на шаг, его движения казались естественными и даже отчасти живыми. Для Хёрста это стало первым намёком на то, что мечта достижима.

После успеха ATRIAS препятствия для дальнейшей работы стали скорее инженерными и организационными, чем научными. Стартап казался способом перейти от отдельного исследовательского проекта к настоящему продукту. Хёрст был уверен, что сможет создать роботов, способных передвигаться там же, где люди, и что такая способность окажется полезной. Для основателя новой компании, по его словам, необходимы и амбиции, и некоторая наивность: иначе сложно взяться за дело, не представляя, насколько оно трудное.

При запуске компании обычно советуют сначала разобраться в проблеме клиента, а затем решить её с помощью своих сильных сторон. Хёрст и его сооснователи Дэмьен Шелтон и Михаил Джонс поступили иначе: они верили, что технология откроет новые возможности, и рассчитывали разобраться с бизнесом по ходу дела. Первым продуктом стал двуногий робот Кэсси.

Кэсси был первым динамичным двуногим роботом, которого исследователи могли купить. Он удерживал равновесие активными плавными движениями, а не осторожными жёсткими шагами. Его ноги напоминали ноги страуса не потому, что разработчики копировали птиц, бегающих по земле, а потому, что конструкцию проектировали ради производительности. Кэсси не предназначался для коммерческой работы и не имел корпуса, рук или головы.

Роботов продали Гарварду, Калифорнийскому технологическому институту, Мичиганскому университету, Калифорнийскому университету в Беркли и нескольким другим исследовательским организациям. Рынок двуногих исследовательских роботов по цене 250 000 долларов за штуку в итоге оказался насыщен: всего компания продала десять Кэсси.

В RoboFab компании Agility Robotics в Сейлеме, штат Орегон, стоят ATRIAS, Кэсси и Digit 4 EVT. Площадь предприятия — 70 000 квадратных футов; оно может выпускать более 10 000 роботов Digit 5 в год.

Поскольку аппаратная часть Кэсси открыла исследователям путь к изучению физики ходьбы и бега, передний край исследований шагающих роботов переместился в область программного управления. Раньше инженеры управляли такими роботами с помощью подробных математических моделей, которые рассчитывали движения машин. С Кэсси исследователи начали применять обучение с подкреплением для управления двуногой ходьбой: робот учится на симуляции методом проб и ошибок, а полученная нейросеть управляет настоящей машиной.

Такой подход лежит в основе почти всех динамичных движений шагающих роботов сегодня. Кэсси выглядел живым, когда восстанавливал равновесие после спотыканий на лестнице, пробегал 5 километров по кампусу Университета штата Орегон и устанавливал мировой рекорд среди роботов в беге на 100 метров.

Кэсси приблизил команду к созданию робота, который уверенно и плавно передвигается по миру. Чтобы сделать его полезным, требовались манипуляции с предметами. Перебрав множество вариантов конструкции, команда обнаружила, что вертикальный корпус помогает роботу держать равновесие, а две руки в верхней части корпуса позволяют поднимать крупные предметы и смягчать падение. Digit 1, к ногам Кэсси добавивший корпус и руки, стал первым мобильным манипулятором компании и ещё одним шагом к роботу, способному выполнять полезную работу для коммерческих заказчиков.

Почему Digit начали со складских контейнеров

Когда Agility изучала первые варианты применения Digit, потенциальные клиенты снова и снова спрашивали: зачем роботу ноги и почему он должен быть человекоподобным? Хёрсту было непросто ответить. Эти вопросы показывали главное для бизнеса: компании было мало решить красивую научную задачу — нужно было помогать клиентам справляться с реальными проблемами.

После нескольких лет работы с промышленными партнёрами команда нашла ответ на складах и производственных площадках: перемещение контейнеров. Для этого нужны две руки, чтобы поднимать крупные контейнеры на высоту, а ноги помогают удерживать равновесие и перемещаться в узких проходах. Задача сильно различается от одного предприятия к другому, поэтому её не удалось широко решить с помощью автоматизации, предназначенной только для одной операции. При этом она была достаточно чётко ограничена, чтобы стать первым экономически оправданным применением Digit, пока робот осваивал другие навыки.

В 2019 году Digit начал показывать, что может выполнять реальную работу. Вместе с Ford Motor Company компания продемонстрировала, как Digit 1 переносит посылки от автономного автомобиля к крыльцу дома. Digit 2 и Digit 3 разрабатывали во время совместной работы с одной международной службой доставки посылок: роботы перемещали и сортировали картонные коробки. Amazon испытала Digit 4 на переноске и штабелировании контейнеров. Позже робот стал первым гуманоидом, коммерчески развёрнутым в логистической компании GXO. В 2024 году Digit появился на обложке журнала Time.

Несмотря на видимый успех Digit, требования клиентов стали расходиться с мечтой Хёрста. Agility уже работала не с относительно терпеливыми университетскими лабораториями: компании нужно было продавать роботов, чтобы выжить, а клиенты покупали только то, что приносило пользу. Если контейнеры не перемещались, заказчики теряли деньги. Команда тратила много времени и сил, чтобы поддерживать первые внедрения в рабочем состоянии, и это, вероятно, сводило на нет полученную прибыль. Но благодаря этой работе компания продолжала учиться и оставалась на плаву — такого не дала бы ни одна лабораторная демка.

Хёрст не представлял, насколько трудно будет вести компанию и сколько в этой работе окажется дел, не связанных напрямую с техническими задачами. Нужно было запускать проекты в разных частях страны, заниматься доставкой, обслуживанием и поддержкой клиентов, привлекать инвестиции и общаться с инвесторами, снова привлекать инвестиции, развивать кадровую и ИТ-инфраструктуру, создавать программное обеспечение для управления парком роботов, выстраивать цепочки поставок — и опять искать деньги. У Хёрста не было опыта во всём этом: его карьера была посвящена техническим задачам взаимодействия роботов с миром, а это оказалось лишь небольшой частью создания успешной робототехнической компании. Однако другого пути продолжать техническую работу и добиваться практического эффекта он не видел.

Как Digit стал продуктом

Хёрст понимал, что Agility нужно больше внимания уделять роботам как продуктам, но не знал, как это сделать. Чтобы нанять людей, необходимых для управления компанией, ему пришлось отказаться от значительной части контроля. Другого выбора не было. Компания собрала новую команду руководителей с опытом коммерциализации технологий. Они быстро внесли изменения — болезненные, но необходимые.

Первые версии Digit: слева направо — Digit 1, Digit 2 и Digit 3. На снимке видно, как робот превратился из платформы для динамичной ходьбы в полезного мобильного манипулятора.

Следующую версию, Digit 4 EVT — этап инженерной проверки и испытаний, — изначально планировали обновить незначительно. Но новое руководство Agility решило, что роботу не хватает ключевых функций, необходимых для полноценного продукта. Поэтому за сжатый срок в Digit 4 EVT внесли множество крупных изменений: установили аккумуляторы большей ёмкости и обновили систему в целом, чтобы повысить безопасность и соответствовать нормативным требованиям. Дополнительные компоненты заметно увеличили массу робота и изменили его внешний вид и возможности.

Ранние модели Digit были без головы. Для Digit 4 Agility обосновала её необходимость более удобным размещением антенн и камер. В итоге голова оказалась неожиданно полезной для взаимодействия человека и робота.

Хёрсту оставалось наблюдать, как другие сотрудники применяют свои знания, чтобы превратить Digit в успешный продукт, иногда болезненно для него и не всегда в соответствии с его замыслом. Особенно трудными были моменты, когда ему казалось, что команда идёт на необязательные уступки. Но решения уже не были только его ответственностью. Хёрсту пришлось признать, что Digit перерос его, и искать способы влиять на решения вместо того, чтобы единолично ими распоряжаться. Тогда это сильно раздражало его: Digit 4 EVT, по его ощущению, отступил на несколько шагов от его представления о том, как должны выглядеть и двигаться гуманоидные роботы.

Ловкость заложена в названии Agility и важна для будущего компании. Хёрст хотел, чтобы Digit был лёгким и грациозным: чтобы людям нравился робот, с первого взгляда было понятно, что он умеет, и казалось, что он готов помочь. Но в Digit 4 EVT всё это уступило место функциональности, потому что клиентам нужно было, чтобы робот выполнял работу. В процессе проектирования одно за другим откладывали эстетические решения и плавность движений, выбирая практичность. Инженеру, чьи мысли чаще обращены к будущему, чем к настоящему, было трудно принять такой путь.

Вместе с тем коммерческое внедрение Digit 4 EVT помогло компании понять конкретные задачи и требования к ним. Команда описала первые десять вариантов применения Digit и начала проектировать Digit 5 с нуля, опираясь на всё, чему научилась.

Digit 5

Digit 5 станет первым серьёзным шагом Agility к роботу общего назначения. Компания переходит от представлений о том, каким должен быть гуманоид будущего, к созданию продукта, соответствующего условиям работы клиентов. Среди этих условий — европейская сертификация CE, североамериканская сертификация электрической безопасности UL и ограничения Федеральной комиссии по связи США на электромагнитное излучение. Всё это казалось Хёрсту второстепенным по отношению к его мечте, но было обязательным для продукта.

Digit 5 проектируют так, чтобы он мог безопасно работать рядом с коллегами-людьми до 20 часов в день и поднимать более тяжёлые грузы, чем человек.

Требования клиентов помогли Agility понять, что безопасность — одно из главных препятствий для массового внедрения. Во время коммерческой эксплуатации Digit 4 роботы должны были постоянно находиться за физическими ограждениями, отдельно от людей, чтобы соответствовать требованиям страховщиков и регуляторов. Хёрсту это казалось нелепым: он не считал роботов компании опасными. Но безопасность нужно было доказать. Защитные клетки сильно ограничивали полезность роботов, поэтому одной из главных целей при проектировании Digit 5 стала безопасная работа рядом с людьми. На решение этой задачи ушло два года.

Digit 5 будет использовать набор датчиков, чтобы с подтверждаемой безопасностью обнаруживать людей поблизости и действовать с учётом их положения. Если человек начнёт приближаться, робот остановит работу, опустит груз, сядет на пол и отключит питание двигателей, пока человек не подошёл достаточно близко, чтобы прикоснуться к нему. Такой осторожный подход позволяет проверяемым способом снизить риск для людей. В Agility считают его единственным разумным первым шагом к совместной работе роботов и людей.

Однако эта стратегия, по словам Хёрста, сильно замедляет путь к повседневному использованию роботов. Возможность находиться рядом с людьми повлияла почти на все аспекты конструкции Digit 5: форму ног и корпуса, датчики безопасности в защитных кожухах, отдельные компьютеры, отвечающие за безопасность, и другие решения. Всё это увеличивает сложность, энергопотребление, массу и размеры робота.

Digit 5 — самый крупный, тяжёлый, сильный и способный рабочий гуманоидный робот Agility.

Конструкцию определили требования безопасности: встроенная защита нужна и роботу, и людям, рядом с которыми он будет работать.

Digit 5 весит более 120 кг. Он должен соответствовать ограничениям на подъём грузов, рекомендованным Национальным институтом охраны труда США для работников. В частности, робот должен многократно поднимать контейнеры весом 23 кг и доставать до полок высотой 1,75 м. Digit рассчитан на выполнение таких задач до 20 часов в день — человек так работать не сможет.

Для этого нужны двигатели, способные поднимать груз и точно регулировать усилие, когда робот касается предметов. Двигателям требуется большой аккумулятор и док-станция для быстрой автономной зарядки. Док-станция будет подавать ток силой 240 ампер при напряжении 48 вольт. Индуцированные магнитные силы будут заметно раскачивать толстые зарядные кабели, а мощные вентиляторы станут прогонять воздух через охлаждающие каналы в корпусе, чтобы аккумулятор не перегревался.

Аккумулятор и система охлаждения занимают около 75 процентов корпуса Digit. Благодаря им робот сможет работать 90 минут и полностью заряжаться за 9-минутный перерыв, что позволит ему трудиться почти без остановок.

Дополнительный объём и масса лишили Digit 5 возможности бегать и прыгать так, как это делали предыдущие поколения. Изящная форма, которую представлял себе Хёрст, стала физически недостижимой. В некоторых отношениях Digit 5 больше напоминает вилочный погрузчик, чем грациозного гуманоида, которого Хёрст хотел построить. Но, если исходить из практических требований, такой компромисс необходим любой компании, заявляющей, что её гуманоид уже способен выполнять подобную работу. Если робот выглядит как человек и работает на заводе или складе, он либо не может поднять нужный груз, либо не способен отработать всю смену. А если на нём нет множества датчиков, стоять рядом с ним, вероятно, небезопасно.

Самое заметное изменение Digit 5 — человеческая форма ног вместо ног, напоминавших страусиные, у предыдущих версий. Прежняя, «обратная» конструкция хорошо подходила для ходьбы и бега, но мешала приседать: лодыжка задевала землю. Digit 5 часто придётся поднимать тяжёлые предметы почти с пола, поэтому ему сделали ноги человеческого типа. Двигатели в коленях и бёдрах вместе создают усилие, необходимое, чтобы робот снова встал.

Если Digit обнаружит приближающегося человека, он опустится на пол и отключит питание двигателей. Agility считает, что в ближайшей перспективе это единственный способ проверяемым образом снизить риск при работе робота рядом с людьми.

Другие компании, создающие гуманоидов, копировали человеческую форму, не всегда понимая её назначение. Хёрста раздражает, что со стороны может показаться, будто Agility отказалась от характерной конструкции ног и просто повторила за остальными. Он подчёркивает, что к новой форме привели функциональные инженерные решения. Заставить робота выглядеть как человек легко; если при этом его функции не соответствуют внешности и разработчики не понимают лежащую в их основе физику, смысл человеческой формы может быть утрачен.

Мощность, время работы от аккумулятора и функции безопасности должны сделать Digit 5 по-настоящему полезным. Но ради них пришлось поступиться некоторыми составляющими мечты Хёрста. Он понимает и может обосновать каждое решение, однако все вместе они его не удовлетворяют. Такова, по его словам, участь инженера.

Что будет после Digit 5

Хёрст считает, что Digit 5 станет для Agility поворотным моментом и позволит начать массовое внедрение роботов. Digit продолжит переносить контейнеры, а дорожная карта компании включает и другие задачи: собирать отдельные предметы, обслуживать станки, готовить детали к сборке и отправке, а со временем — выполнять саму сборку. Сменные крепления для инструментов и модульная конструкция позволят постепенно обновлять подсистемы робота. Digit должен одновременно стать платформой для улучшений, источником данных для обучения будущих моделей поведения и коммерчески жизнеспособным продуктом.

Хёрст стоит между предыдущей версией робота — Digit 4 EVT слева — и Digit 5.

Хёрст не может полюбить Digit 5. Это самый крупный, тяжёлый и дорогой робот, который Agility когда-либо создаст. В нём много компромиссов, необходимых, чтобы он отвечал сегодняшним требованиям, а не мечте Хёрста. В начале работы он представлял себе последовательный прогресс в ловкости и сноровке, при котором каждая версия становилась бы динамичнее. Вместо этого разработка Digit 5 потребовала больших обходных путей ради требований, казавшихся не связанными с первоначальным замыслом.

Теперь Хёрст понимает, что решать эти задачи всё равно было необходимо. Требования клиентов и продукта не разрушили его мечту, а показали, чего ей не хватало. Так роботы смогут добиться коммерческого успеха и принести пользу в реальном мире, а Хёрст — приблизиться и к своей научной цели.

Гуманоид не сравняется по возможностям с человеком, пока не научится двигаться так мастерски, как мечтал Хёрст, создавая Agility больше десяти лет назад. Первые проблески этого мастерства он увидел в ходьбе ATRIAS, основанной на модели «пружина — масса», а затем — в беге Кэсси.

Хёрст уверен, что достичь такого мастерства физически возможно уже с нынешними инструментами и аппаратными средствами. Несмотря на компромиссы, Digit 5 даст компании практическую основу для дальнейшей работы. Он хочет, чтобы будущие версии Digit становились легче и грациознее, естественнее взаимодействовали с людьми, лучше манипулировали предметами и передвигались по миру. Тогда роботы смогут помогать людям в повседневных делах, которые пока им недоступны. Хёрст рассчитывает, что к тому времени, когда ему самому понадобится помощь дома, Digit уже сможет её оказать.

С Digit 5 Agility создала робота, полезного в реальном мире. Теперь Хёрст возвращается к работе, чтобы сделать его ещё и красивым.