Итальянская исследовательница-робототехник Барбара Маццолаи на протяжении всей карьеры черпает идеи в живой природе. Теперь она хочет, чтобы создаваемые ею технологии не только копировали биологические решения, но и возвращали долг окружающей среде.
Барбара Маццолаи держит мягкого робота, созданного при её участии по образу щупальца осьминога. Итальянский технологический институт (IIT)
Свой путь Маццолаи начинала как биолог, однако случай привёл её в инженерию — и сделал одной из первых, кто занялся бионической робототехникой. Опираясь на понимание того, как живые организмы решают самые разные задачи, она создавала роботов по образу осьминогов, корней растений и даже семян. «Меня всегда завораживали живые организмы и то невероятное многообразие решений, которое отобрала эволюция», — говорит она.
Сегодня Маццолаи занимает пост заместителя директора по робототехнике в Итальянском технологическом институте (IIT) в Генуе. Она убеждена, что инженерии пора всерьёз задуматься о собственном влиянии на природу, и потому продвигает новое направление исследований, которое называет «устойчивой робототехникой».
В июле в журнале Nature Machine Intelligence вышел своего рода манифест, подготовленный ею вместе с коллегами. В нём изложено видение нового подхода к проектированию роботов, призванного улучшить отношения между природой, человеком и технологиями.
«Нам нужно уменьшить экологический след наших технологий, — поясняет исследовательница. — Речь о том, чтобы мыслить иначе и открыть новые возможности для робототехники и общества». В этой логике устойчивость становится не дополнительной опцией, а ядром самого замысла.
Дитя природы
Свой интерес к живому миру Маццолаи прослеживает с детства, прошедшего на тосканском побережье недалеко от портового города Ливорно. Её отец работал санитарным инспектором и профессиональным микологом, и семья много времени проводила в лесах, изучая местные грибы и растения.
Поколебавшись между искусством и наукой, в 1987 году она поступила в Пизанский университет на биологию. Особенно её влекла морская биология, но незадолго до получения магистерской степени в 1995 году она устроилась на исследовательскую позицию в Институт биофизики Национального совета по научным исследованиям Италии, где занялась изучением круговорота тяжёлых металлов — например, ртути — в живой и неживой природе.
Работа предполагала сбор и анализ проб воды, почвы, овощей и даже образцов, взятых у людей, чтобы понять влияние этих металлов на здоровье и окружающую среду. Параллельно она изучала экологический менеджмент в Высшей школе Сант-Анна в Пизе и получила там ещё одну магистерскую степень в 1998 году.
Именно тогда она узнала, что университет ищет биологов для разработки новых приборов экологического мониторинга. В 1999 году она получила эту работу и стала ассистентом-исследователем у известного биоробототехника Паоло Дарио, занявшись сначала сенсорами, а затем и роботами для наблюдения за состоянием воздуха, воды и почвы.
Ещё до поступления в докторантуру, в 2004 году, Маццолаи стала доцентом и вскоре впервые обратилась к бионической робототехнике. Вместе с коллегами из Сант-Анны она помогла спроектировать мягкого робота по образу осьминога. «Мы предложили его как парадигму, чтобы запустить саму идею мягкой робототехники: показать, что роботы могут быть мягкими и при этом воздействовать на среду с большой силой, как это делает животное», — рассказывает она.
Снова за парту
В 2007 году Маццолаи поступила в докторантуру по микросистемной инженерии в римском университете Тор Вергата, совмещая учёбу с работой в Сант-Анне. Она уже активно применяла методы микроизготовления для создания сенсоров и стремилась продвинуть эту область вперёд.
Роботы нередко оснащаются сенсорами восприятия — тактильными или проприоцептивными, — но такие системы, по её словам, обычно нужны лишь для того, чтобы машина понимала своё положение в пространстве. «А вот роботов, которые встраивают физические или химические датчики, чтобы действительно понимать окружающую их среду, очень мало», — отмечает она.
В 2009 году Маццолаи возглавила команду в Центре микробиоробототехники Итальянского технологического института, где продолжила работу над зарождающимся направлением. Спустя два года она защитила докторскую диссертацию и была назначена директором центра.
Сеем семена
Примерно в это время Маццолаи заинтересовалась растениями как моделью для роботов нового типа, выйдя за пределы «животного» вдохновения. Особенно её поразила способность корней эффективно осваивать подземное пространство: она представила, что машины с такой же ловкостью пригодились бы и в моделировании окружающей среды, и в точном земледелии.
Хотя многие бионические роботы подражают животным, источником вдохновения для Маццолаи служат и растения. Этот похожий на усик робот способен обвиваться вокруг других конструкций, как виноградная лоза. Итальянский технологический институт (IIT)
Когда она впервые высказала эту идею, коллеги отнеслись скептически к роботам по образу, казалось бы, неподвижных организмов. Но на деле растения движутся непрерывно — за счёт так называемого неограниченного роста. «Они растут всю свою жизнь, — говорит она. — Они подстраивают форму и поведение под внешнюю среду, восстанавливаются, чувствуют, общаются».
Подражать системе, устроенной на совершенно иных принципах, чем классическая робототехника, оказалось непросто. По словам Маццолаи, работа в бионической робототехнике порой требует иметь «два разных мозга» — биолога и инженера одновременно.
Процесс обычно начинается с глубокого изучения организма-прототипа, чтобы понять принципы, лежащие в основе его работы, и лишь потом инженеры пытаются их воспроизвести. «Это не копия природных организмов», — подчёркивает Маццолаи: живой организм и трудно повторить, и цели у него совсем другие.
В случае с корнями растений их эффективность в освоении почвы объясняется тем, что они растут только на самом тонком кончике, тогда как более толстое основание остаётся неподвижным. Это резко снижает затраты энергии на продвижение сквозь землю по сравнению с обычным буром, которому приходится проталкивать всю конструкцию сверху.
Чтобы воплотить этот принцип в роботе, её команда разработала миниатюрный 3D-принтер, размещённый на кончике машины: он подаёт термопластиковую нить через нагретое сопло и наращивает позади себя змеевидное тело. Так робот эффективно продвигается сквозь грунт, а датчики на кончике помогают ему обходить препятствия и находить поблизости питательные вещества или воду.
Как сделать робототехнику устойчивой
Позаимствовав у природы так много за свою карьеру, теперь Маццолаи готова отдать долг. Многие современные технологии — от пластика до автомобильных аккумуляторов — создавались практически без оглядки на то, что с ними будет в конце их жизненного цикла.
Она не хочет, чтобы робототехника пошла по тому же пути. Именно в этом смысл устойчивой робототехники. У подхода три опоры: минимальное воздействие роботов на окружающую среду; их доступность для людей по всему миру и с любым уровнем достатка; и «симбиотичность» — польза одновременно и человеку, и природе.
На практике Маццолаи хотела бы заложить понятие жизненного цикла прямо в конструкцию роботов, чтобы по завершении срока службы такие машины можно было повторно использовать, переработать или даже разложить биологически.
Пусть это и звучит амбициозно, исследовательница уверена, что все составляющие для реализации уже есть. И она не сомневается, что такое видение вдохновит будущих инженеров. «Есть молодые люди, которые действительно хотят работать в этой области, потому что это будущее — их будущее», — говорит Маццолаи. Перед лицом продолжающегося ущерба природе они «хотят создавать то, что способно помочь».
