Очень маленький футбол: футбольная лига нанороботов

Этим летом в Швейцарии сложно было найти место, где не говорили бы о футболе. Вот и на лекции в знаменитом Цюрихском политехе, ETH Zurich (это учебное заведение закончил Альберт Эйнштейн), посвященной анонсу нового исследовательского центра в области нанотехнологий, который институт строит совместно с компанией IBM, профессор Стивен Брэдли не удержался: «Кстати, в прошлом году наша команда стала чемпионом мира по футболу!» Слушатели оживились, в глазах многих появилось недоумение. Выдержав паузу, профессор продемонстрировал фотографию команды ETH с чемпионским кубком в руках: «Правда, игроков на этой фотографии не видно — уж очень они маленькие. Их максимальный размер, ограниченный правилами, — 300 микрон».

Уже несколько лет ежегодно в рамках проекта RoboCup проводятся соревнования по футболу среди роботов. Амбициозная цель проекта указана на главной странице сайта: «К 2050 году разработать команду полностью автономных гуманоидных роботов, которые смогут выиграть футбольный матч против сборной команды чемпионов-людей».

Понятно, что пока до нее далеко и команды роботостроителей и программистов просто соревнуются между собой в нескольких лигах. На поле играют команды роботов малого и среднего размеров, четырехногие и гуманоидные, а программисты соревнуются в написании симуляторов игры. В 2006 году добавилась еще одна интересная номинация — Nanogram Competition, в которой людям совершенно определенно ничего не светит. Эта лига названа по весовой категории игроков — несколько нанограммов.

Организацию первого чемпионата мира, прошедшего в июле 2007 года в Атланте, штат Джорджия, взял на себя американский Институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST). В чемпионате приняли участие пять команд: две из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге — CMU 1 и Magic and Voodoo («Магия и вуду»), из Военно-морской академии США в Аннаполисе, Polymer MEMS Pros из канадского Университета Саймона Фрейзера и команда Цюрихского политехнического института (ETH Zurich).

В отличие от настоящих футболистов, никакой автономности у роботов нет. Более того, в миниатюрные размеры, заданные правилами, сложно уложить даже источник питания, поэтому энергию приходится черпать извне — либо от электродов, вмонтированных в кремниевую подложку, либо от электрических или магнитных полей, создаваемых соответствующими электродами или катушками, окружающими игровое поле (единственное ограничение — никаких проводов, непосредственно подключенных к самому роботу). Разные команды придерживаются разных подходов к этому вопросу.

Три из пяти команд сделали ставку на электричество. Робот американской Военно-морской академии передвигается и управляется с помощью электростатики. Подавая напряжение на электроды подложки, покрытые оксидным слоем (для изоляции), можно менять «клиренс» робота, оснащенного так называемым щеточным движителем (scratch drive actuator) — упругой Г-образной пластинкой, которая при сгибании повторяет движение гусеницы-землемерки. Так можно обеспечить поступательное движение, для поворота же напряжение на электродах в том месте, где в данный момент находится робот, повышается и боковое рулевое «весло», поднятое высоко над подложкой, притягивается к ней и «табанит» (морское происхождение как-никак) конструкцию, поворачивая ее вокруг своей оси. Похожим образом (щеточный движитель плюс рулевое «весло») устроены роботы канадской команды и CMU 1.

Две другие команды пошли по иному пути, питая своих игроков магнитным полем. Робот Университета Карнеги-Меллон имеет размеры 200х100х50 мкм и представляет собой магнит типа неодим-железо-бор (NdFeB) без какой-либо механики. Для управления используются две пары катушек, расположенные в плоскости подложки и создающие направленное в нужную сторону градиентное магнитное поле. Для контроля движения используется еще одна катушка, расположенная под подложкой, — она создает пульсирующее магнитное поле, прижимающее робота к поверхности подложки. В результате движения робота напоминают что-то среднее между ритмичными прыжками и танцем под тамтамы (по-видимому, именно это сходство и обусловило выбор столь странного названия команды — «Магия и вуду»). Меняя частоту пульсации, можно изменять скорость, которая достигает 13 мм/с (60 длин самого робота).

Швейцарский робот (квадрат со стороной 300 мкм) состоит из двух неравных никелевых брусков, меньший из которых жестко прикреплен к золотой раме, стоящей на подложке. Для уменьшения трения при движении рама снабжена небольшими «пупырышками». Второй, больший никелевый брусок прикреплен к первому с помощью пружины. В магнитном поле бруски притягиваются друг к другу, поэтому, если создать переменное магнитное поле на резонансной частоте пружины, бруски будут колебаться с достаточно большой амплитудой и даже сталкиваться друг с другом, передавая импульс. В обычной ситуации это не может привести к поступательному движению — подобное запрещено законом сохранения импульса. Но если варьировать силу трения в те моменты, когда бруски сближаются или удаляются друг от друга, можно добиться поступательного движения такой конструкции. На электроды, вмонтированные в подложку и отделенные от рамы робота изолирующим оксидным слоем, подается электрическое напряжение, и возникающие электростатические силы прижимают робота к полю, увеличивая силу трения. Остается синхронизовать магнитное поле с подачей напряжения на электроды — и робот начинает уверенно двигаться. Направлять его можно, изменяя направление магнитного поля: конструкция поворачивается так, чтобы длинная ось брусков совпала с направлением силовых линий поля.

«Управлять нашим роботом очень просто, — объясняет Брэдли Краточвил, аспирант ETH и лидер команды. — У него всего два параметра — направление движения определяется магнитным полем, а скорость — продолжительностью прижима к подложке. Управлять можно вручную или по заданной программе распознавания, получающей изображение с видеокамеры. Магнитно-резонансная технология позволяет обойти некоторые проблемы — скажем, быстрое убывание поля с расстоянием. Сейчас мы изучаем возможности ее применения в медицине, поскольку такой способ передачи энергии хорошо работает в жидких электропроводящих средах, где невозможно использовать высокие напряжения».

«Разумеется, никто не рассматривает эту игру так же серьезно, как настоящий футбол, — говорит профессор Брэдли, возглавляющий Отделение робототехники и интеллектуальных систем (IRIS, Institute of Robotics and Intelligent Systems) в Цюрихском политехе. — Этот проект, занявший у студентов около семи месяцев (за это время мы сменили пять различных вариантов конструкции роботов), дал им прекрасное представление о том, что включает в себя микроробототехника, от идеи и моделирования до изготовления электронных компонентов и собственно роботов, написания управляющих программ, а также общей координации всего этого. Кроме того, это удобный способ демонстрации возможностей в области изготовления и управления микророботами.

Подобные системы, например, могут найти широкое применение в медицине. Собственно, главная особенность наших «игроков» — способ движения с помощью резонанса в магнитном поле — изначально разрабатывался именно для применения в медицине».

Первый этап чемпионата в Атланте сразу же показал, что нанофутбол (точнее, его нужно называть микрофутболом, но такова уж традиция) пока делает только первые шаги — «футболисты» канадской команды, американской Военно-морской академии и CMU 1 не смогли ни «обвести» неподвижных пластиковых «защитников», ни даже просто пересечь игровое поле. Поэтому в финале, если можно так выразиться, основная борьба шла между командами Университета Карнеги-Меллон и Цюрихского политеха.

«Наш робот оказался более резвым и лучше управляемым, — улыбаясь, говорит "ПМ" профессор Брэдли. — Он пересекал игровое поле за 316 мс, а нашим противникам для этого потребовалось аж четыре секунды! Обвод защитников занял у нас 583 мс, а у Карнеги-Меллон — более пяти секунд. Ну, и, разумеется, голы — за отведенное время мы забили три мяча, а наши соперники — ни одного. Так мы и стали первыми в истории чемпионами мира по нанофутболу. И хотя сам матч можно было увидеть только в микроскоп, чемпионский кубок вполне видно невооруженным глазом».