Этот робот проходит сложнейшие трассы, преодолевает лабиринты, обходит ловушки, делает мёртвую петлю и даже ездит по потолку. Это самые безумные гонки, которые я видела. Роботы разгоняются быстрее, чем болиды Формулы-1 и находят верный путь, даже если дорога пропадает.
Если вам кажется, что заблудиться в ИКЕ - это проблема, то просто сравните это вот с этим. А как эти роботы обогнали Теслу? Что за секретные алгоритмы за ними стоят?
И причём тут тайные военные разработки? Чтобы в этом разобраться, я построю собственного робота и покажу, что за ним скрывается. Спойлер, это оказалось сложнее, чем я думала.
3 2 1 старт. Я тебя понял. Вы удивитесь, но без этих роботов не было бы смартфонов, автомобилей, заводов с супермаркетами и даже ракет Space X.
И их следы можно найти почти во всём, чем мы пользуемся каждый день. Технологии всегда вызывали у меня интерес. Мне было интересно что-то разобрать, изучить или заставить работать.
И раньше я думала, что чем сложнее технологичное устройство, тем оно круче и тем лучше получится результат. Но потом я столкнулась с этими роботами, и они перевернули моё представление о технологиях. Без камер и нейросетей они добились реакции быстрее, чем у навороченной Теслы.
Как ему удаётся провернуть такую магию? Один из секретов вот в этой маленькой штучке. Вернёмся на 150 лет назад.
Лондон, 1873 год. Инженерби Смит работает над улучшением телеграфа, самой передовой технологией связи того времени. По дно Атлантического океана проложили тысячи клометров кабеля, которые Соединили Европу и Америку.
Раньше письма шли неделями. Теперь передать сообщение можно было почти мгновенно. Но была одна проблема.
Представьте, что вы говорите с другом через нитку и стаканчики. Когда вы стоите близко, звук проходит чётко, но чем дальше отходите, тем слабее становятся колебания, и в какой-то момент собеседник слышит лишь невнятные звуки. С телеграфным кабелем похожая история.
Чем он длиннее, тем сильнее сигнал теряется. Вместо отчётливых сообщений часто приходят лишние разборчивые помехи. Смит ищет материал для изоляции провода.
который предотвратит утечку тока и сохранит сигнал. Один из кандидатов селен. Этот химический элемент выглядит как серебристые блестящие кристаллы и является отличным изолятором.
По крайней мере, так думали. В одном из экспериментов учёный направил луч света на образец Селена, и произошло нечто необъяснимое. Кристалл внезапно начал проводить ток.
Как вы понимаете, решить проблему с изоляцией проводов Селен не смог, но вызвал настоящую сенсацию. Его странные свойства ставили учёных в тупик и нарушали известные на то время законы физики. Разгадать эту загадку смог лишь один человек.
И этим не андертальцем был Альберт Эйнштейн. Селен, как и всё вокруг нас, состоит из атомов. Вы точно видели, как они выглядят.
Даже в комиксах DC есть такой супергерой. Его эмблема - это буквально схема строения атома. У него в центре ядро, вокруг которого порят электроны.
Итак, представьте, что я электрон. Я стою на своём месте и не собираюсь куда-либо двигаться, даже если соседний электроннуть. А если электроны не двигаются, значит материал не проводит электричество.
Но если начать на меня светить, то у меня появляется стимул, чтобы уйти. На это место тут же влетает другой электрон, но его тоже ослепляет свет, и он также уходит. И вот так электроны начинают прыгать с места на место, а движение электронов - это и есть электричество.
Таким образом, мы можем заставить Селен проводить электричество, всего лишь посветив на него. Этот трюк работает только с особыми светочувствительными материалами. В других электроны слишком круты и светом их с места уже не сдвинуть.
Это явление назвали фотоэффектом. Именно за него Эйнштейн и получил Нобелевскую премию, а не за теорию относительности, как многие думают. Но это было только начало.
Вскоре новой технологии заинтересовались военные. 1912 год. Вот-вот начнётся Первая мировая война.
Британия ищет способ противостоять немецкому флоту. И недавнее открытия Эйнштейна натолкнули их на гениальную идею. Ночью корабли используют прожекторы.
А что если создать торпеду, которая будет плыть на свет и попадать точно в цель? Чтобы проверить идею, они строят экспериментального робота. Знакомьтесь, пра-прадедушка всех рабособак Селина.
Наверное, вы думаете, что этот робот больше похож на коробку на колёсах, чем на собаку. Ну, если честно, он и был коробкой на колёсах. Но не стоит смеяться.
Этому робопсу уже больше 100 лет. И для своего времени он мог делать безумные вещи. У робота было два глаза с датчиками, разделённой перегородкой.
Если свет попадал в оба, он ехал прямо. Но как только источник света смещался и один глаз переставал его видеть, тогда робот понимал, куда ушла цель, и поворачивался в нужную сторону. Но настоящее веселье началось в пятидесятые, когда мир оправился от войны и начинает жить на полную.
Радио набирает невиданную популярность. Со всех сторон доносился рок-н-рол и непрерывный гул радиостанции, а в домах людей появляется цветное телевидение и бытовая техника. Фабрики не отстают и стараются автоматизировать всё, что только смогут.
И тут автоматические роботы оказались очень кстати. Многие инженеры предлагают свои оригинальные решения, но у всех одна и та же проблема. Они двигались на свет, как тот самый первый робопёс.
Бегать с фонариком по заводу и показывать роботу, куда ехать- не самая удачная идея. К счастью, эволюция давно нашла решение этой проблемы. Большинство предметов вокруг нас сами не светятся.
Тем не менее, мы их видим. Всё потому, что мы видим не только прямой свет, например, от лампочки, но и свет этой лампочки, отражённые от других предметов. Инженеры подумали: "А что, если научить робота также видеть отражённый свет?
У человека в одном глазу около 100 млн рецепторов". Сегодня этим никого не удивить, и камеры с миллионами сенсоров есть в каждом смартфоне. В пятидесятые инженеры могли о таком только мечтать.
Но даже с одним датчиком можно сделать кое-что интересное: понять, сколько света отражает предмет. И если на светлом полу нарисовать чёрную линию, то робот сможет её обнаружить. Работает это так.
У нас есть лампочка, свет, которая отражается от пола и попадает на сенсор. А как мы помним, если на сенсор попадает свет, то он начинает пропускать ток, и наша электроника это считывает. Но как только датчик окажется над тёмной линией, количество отражённого света падает.
Тёмный цвет, как мини-чёрная дыра, поглощает большую часть света. В результате электроны в датчике не движутся, ток не идёт, и робот понимает: "О, я на линии". Теперь, чтобы проложить маршрут для робота, вам достаточно просто взять маркер и нарисовать его.
Это же гениально. И этим воспользовались на заводах стали появляться разные роботы, которые использовали линии. Цвет был неважен.
Главное, чтобы линия выделялась. На светлом полурисовали тёмное, а на тёмном - светлое. Вы наверняка уже заметили, что это похоже на кое-что всем нам известное.
В пятидесятые годы торговля переживала свою революцию. Экономика росла, люди покупали всё больше товаров, и на смену маленьким лавкам пришли огромные магазины, супермаркеты. Но кассиры по-прежнему вручную вводили цены.
Это создавало проблемы, и очереди растягивались на десятки метров. Студент технического института Норман Вудlandнд смекнул, что на этом можно неплохо заработать, и в 1952 году вместе с другом запатентовал первый штрихот. Да не удивляйтесь, изначально они были круглыми и даже получили прозвище Булзай за сходство с мишенью для дарца.
Ну а те за сходство с бычьим глазом. Не спрашивайте, в чём тут сходство. Я не знаю.
На заводах трудятся роботы. Полки супермаркетов ломятся от товаров. Вот оно будущее.
Но почти был один маленький нюанс. Всё это не работало. Штрих-коды так и не дошли до магазинов.
Технология, запатентованная в пятидесятых, оказалась дорогой и ненадёжной. Только в 1974 году был продан первый товар с уже привычным нам квадратным штрих-кодом. Это была упаковка жевательной резинки Rigless.
Сейчас она вместе с чеком хранится в Национальном музее американской истории. Роботы тоже не прижились. Из-за высокой стоимости и постоянных сбоев.
Они больше создавали проблемы, чем их решали. Причина катастрофы вас удивит. Все опирались на видимый свет.
Изменения освещения, тени и блики очень мешали работе таких сенсоров. Но вскоре инженеры нашли выход. Они додумались вместо видимого света использовать невидимый.
Да, звучит странно. Что за невидимый свет? Давайте посмотрим на самый мощный источник света, который мы знаем.
Солнце. Оно излучает целый спектр световых волн разной чистоты. Наш глаз способен воспринимать только вот эти 43%.
И ещё немного приходится на ультрафиолет. Но больше половины солнечного света - это невидимое инфракрасное излучение. Именно с ним и начали работать инженеры.
Принцип остался тем же. Датчик улавливает отражённый свет, но теперь вместо обычной лампочки инфракрасная. Кстати, вы тоже можете увидеть её свет.
Возьмите любой пульт, и почти наверняка в нём окажется инфракрасный передатчик. Если нажать кнопку и навести камеру смартфона, вы увидите мерцание. Так пульт передаёт сигнал.
Я же говорила, что на этих технологиях держится весь мир. Даже в пультах есть отголоски наших гоночных роботов. Вот эта штучка из начала видео как раз такой инфракрасный датчик.
Это светодиод, а рядом с ним сенсор, который улавливает отражённый свет. И всё это умещается в такой маленькой детальке. После их появления надёжность роботов возросла в разы, и это дало толчок новым разработкам.
Конечно, большинство из них были просто ползающие по полукоробки, но встречались и удивительные проекты, например, робот Beast. К мистеру Бисту он отношения не имеет, если что. Это был небольшой робот, который передвигался и цепляясь за стенку.
Методы, которые изучают, могут понадобиться на дне океана или других планетах. Видимо, ребят забыли предупредить, что на дне океана нет стен. Да и на других планетах тоже.
Или мы чего-то не [музыка] знаем. Но если без шуток, это был реально передовой робот. В его манипулятор строили датчики давления, светочувствительные сенсоры и даже выдвижной штекер для зарядки от сети.
Нет специальной догстанции, в которую наши роботы даже сегодня не всегда попадают. А самая обычная розетка. Он шарился по стенам, находил её, втыкал штекер и заряжался.
И это было ещё в 1965. Но самое удивительное в этих сенсорах то, что они работают намного быстрее, чем современное машинное зрение. со всеми нашими суперкомпьютерами и нейросетями.
Представьте, вы едете по дороге и вдруг перед вами выбегает олень. Чтобы его заметить, вам понадобится около 200 мскунд. Довольно быстро.
Камере Тесла для этого достаточно всего 28 мкунд. Это в семь раз быстрее человека. Но даже это не идёт ни в какое сравнение с обычной мухой.
Скорость её реакции всего 5 миссекунд. Это в 40 раз быстрее людей. Поэтому их так тяжело поймать.
А теперь внимание. Этот инфракрасный сенсор может реагировать со скоростью в мисекунды. Это в 140 раз быстрее камер Тесла и в 1.
000 раз быстрее человека. Но я тут немного слукавила. Это всего лишь скорость зрительной реакции.
На её обработку у человека или компьютера уходит гораздо больше времени. А вот оптическому датчику всё равно. Ему не нужны сложные вычисления нейросети.
Вся информация обрабатывается мгновенно на простом чипе, вроде того, что стоит в вашей микроволновке или стиралке. Вот почему они остаются крутыми и незаменимыми даже спустя столько лет. Но как с его помощью робот находит правильную дорогу и обходит ловушки?
Тут скрывается второй секрет. Для начала нам нужно научиться просто ехать по линии. Если взять один датчик, то эта задача сводится к двум простым действиям.
Когда мы над линией, робот движется прямо. Но если под ним оказался белый цвет, значит, мы съехали с линии и нужно её найти. Для этого робот начинает поворачиваться в разные стороны, постепенно увеличивая радиус, пока не наткнётся на линию.
Работает это медленно, а если робота занесло, то он и вовсе рискует поехать в обратную сторону. Поэтому стали использовать два датчика по бокам от линии. Робот понимает, какой из них коснулся полосы, и подруливает в нужную сторону.
Но самое интересное начинается, когда робот съезжает с линии. Он больше не ищет её наугад. Он точно знает, где она.
Какой из датчиков последний видел линию в той стороне? Она и находится. Всё просто.
Также и на поворотах. Какой датчик коснулся чёрной линии, туда и поворачиваем. Если они оба оказались на чёрном, то это означает, что вы на перекрёстке.
Ну или что-то совсем пошло не по плану. Но есть большая проблема. С таким алгоритмом робот всё время едет с зигзагами, а у нас тут гонки.
Нам некогда тратить время на это. Чтобы это исправить, я сделала для робота плату, где будет целых восемь датчиков, а некоторые ставят даже 16 штук. Вот эта деталь спереди на самом деле не бампер, а огромная плата с кучей сенсоров.
Это помогает выполнить один интересный трюк с двумя датчиками. Чтобы найти линию, её сначала нужно потерять. Робот движется, постоянно отклоняясь и выравниваясь, поэтому и виляет всё время.
Но когда сенсоров много, он видит и фон, и линию одновременно, а значит, всегда знает, где она. Робот замечает, что линия смещается и сразу подруливает, не дожидаясь, пока сойдёт с курса. Чем больше отклонение, тем режче поворот.
Это называют пропорциональный регулятор, но у него есть минус. Небольшие отклонения он игнорирует, пока они не станут заметными. В итоге веляние слабее, но всё ещё остаётся.
Чтобы робот ехал ровно, его научили запоминать свои отклонения. Теперь он может сказать: "Эй, кажется, я постоянно съезжаю влево. Буду заранее немного подруливать, чтобы ехать ровнее.
Эту штуку назвали интегральным регулятором, и она работает отлично, пока вы едете по прямой". На повороте половина датчиков оказывается на чёрном. Робот думает: "О, огромное отклонение".
И выкручивает руль на полную отрезкого движения его выносит в другую сторону. Он пытается исправить положение и опять выкручивает руль. И начинается вот такой эффект маятника.
Поэтому инженеры придумали ещё один регулятор, дифференциальный. Он учитывает не только как сильно мы отклонились, но и как быстро это произошло. Благодаря ему робот едет плавно, без лишних рывков и манёвров.
Объединив все три принципа, инженеры получили идеальный алгоритм управления пидрегулятор. Он оказался настолько крут, что его используют почти везде: смартфоны, компьютеры, бытовая техника, автомобили и даже ракеты SpaceX. Но этот алгоритм не отвечает на главный вопрос.
Как робот преодолевает все эти ловушки? И откуда он знает, куда ехать, когда линия обрывается? Он что, ясновидящий?
Ну, вообще-то да. И чтобы узнать все тонкости, пора сделать своего робота. Сначала нужно было спроектировать всю плату и электронику с нуля, затем отправить файлы на производство и спустя целый месяц ожиданий, да, это было обучительно, платы наконец-то у меня в руках.
Но пока это всего лишь кусок текстолита. Да, на нём есть дорожки, но нет главного электронных компонентов. Так что пора взять паяльник и немного поколдовать.
[музыка] Вы, наверное, заметили, что эти роботы выглядят немного странно. Почему бы не сделать их похожими на обычную машинку? Дело вот в чём.
Когда гонщик несётся на суперкаре, он смотрит вперёд, видит поворот заранее и плавно в него заходит. Но наш робот смотрит вниз. Он узнаёт о повороте, только оказавшись на нём, и ему просто не хватает времени среагировать.
Решение просто вынести датчики вперёд. Теперь они видят поворот чуть раньше, а робот получает те самые миллисекунды, чтобы войти в него идеально. Но это не единственная проблема.
Такой робот весит около 300 г. При этом на прямых участках разгоняется до скоростей, сравнимых с болидами Формулы- 1. Это как если бы муравей бежал со скоростью гепарда.
У спорткаров есть несколько хитростей, чтобы не вылететь с трассы на таких скоростях. Первое, для шин используют мягкие, липкие резиновые смеси, благодаря чему колёса цепляются за дорогу как клей. Второе.
Инженеры увеличили диаметр покрышек, что дало большую площадь контакта с трассой. Для меня увеличение диаметра не подходит. Представьте качели.
Чем длиннее доска, тем сложнее её качнуть. Колесо - это тоже рычаг. Если оно маленькое, мотору легко его крутить.
Но если диаметр колеса увеличить, крутить станет намного труднее. Мои моторы просто не справляются с большими колёсами. Взять двигатель мощнее я тоже не могу, ведь они увеличат вес робота.
К счастью, есть другой способ улучшить сцепление. Можно просто сделать колёса шире. Пришлось спроектировать свои собственные диски, потому что, как и запчасти для Формулы-1, такие штуки просто не купить в магазине на углу.
А ещё мне пришлось сделать собственную форму для покрышек и отлить их из супермягкой резины. Вроде той, что используют в суперкарах. Но мы с вами кое-что не учли.
Болид весит 800 кг, а робот всего 300 г. Его веса не хватит, чтобы прижаться к трассе для хорошего сцепления. У спорткаров эту проблему решает не только вес, но и аэродинамика.
Их корпус спроектирован так, чтобы потоки воздуха буквально прижимали машину к асфальту. Это не только улучшает сцепление, но и не даёт машине взлететь. Но этот трюк работает только на высокой скорости, а наши трассы извилистые не позволяют настолько разогнаться.
Поэтому придумали секретное оружие турбина. Обычно эти штуки ставят в радиуправляемые самолёты, но если перевернуть её, она превращается в вакуумную присоску. Причём настолько сильную, что робот может ездить по стенам и даже потолку.
На тестовых заездах турбина так прижала робота, что я даже сточила отрассу передние пластиковые ножки. Нужно заменить их на что-то более скользкое и твёрдое. У меня осталось много осколков стекла с прошлых проектов, поэтому я решила расплавить их и сделать гладкие стеклянные капли.
Попытка номер два. Попытка номер три. Уй!
Ну вот так будет получше. Теперь мы готовы к заезду. Существуют разные виды гонок по линии.
В одни главное скорость. Это классические кольцевые трассы, в других настоящая полоса препятствий, где помимо головоломок могут быть горки, трамплины и другие препятствия. 50 лет назад каждый турнир был уникальным со своими задачами, роботами и правилами.
Всё началось в MIT. Профессор Woodфлаурс считал, что инженерия - это не только теория, но и практика. Он предложил дать возможность студентам самим разрабатывать, строить и тестировать механизмы.
А чтобы добавить ребятам азарта в конце устраивали соревнования. Студенты получали одинаковые наборы деталей и задачу, для решения которой нужно было построить робота. Взять предмет быстрее соперника, вытолкнуть робота оппонента с платформы и всё в таком духе.
Соревнования так понравились студентам, что быстро распространились по всему миру. Но настоящий прорыв работотехники сделали не инженеры MIT, а обычные конструкторы LEGO. В 1998 году появился Майнind Storм.
Набор с моторами, датчиками и мини-компьютером, который можно было программировать. Достаточно взять конструктор, и ты уже мог делать проекты не хуже студентов MIT прямо у себя дома. Со временем Mindstorм стал больше, чем просто игрушка.
Его начали использовать для экспериментов. прототипирование, а потом и вовсе включили в обучающие программы в том же MIT. Сегодня по всему миру проходят десятки соревнований, где участвуют сотни тысяч людей каждый год существуют разные дисциплины от турниров исключительно с LEGO до свободных категорий, где можно использовать любые детали и собирать робота с нуля.
Сложность бывает разной. от простых состязаний для самых маленьких до мировых чемпионатов, где не то что соревноваться на скорость, а просто дойти до финиша уже большой подвиг. На таких трассах полно всевозможных ловушек.
С каждым годом они становятся всё сложнее, и участникам приходится придумывать новые, более хитрые алгоритмы, чтобы выиграть. [музыка] Каждая трасса требует своей стратегии, но есть два разных принципа. Первый запомнить маршрут.
В тестовом заезде робот изучает трассу, находит тупики и прокладывает путь. Затем начинается гонка, и всё будет зависеть от того, насколько хорошо робот разгадал ловушки и нашёл оптимальную дорогу. Второй способ - хардкорный.
Робот просто должен проехать трассу без подготовки. Здесь всё решает быстрая реакция и умение искать верный путь в реальном времени. Участники разрабатывают алгоритмы под каждую ловушку, и способов решения десятки.
Ну а как по мне, самое интересное начинается, когда дорога заканчивается. В такой ситуации алгоритм достраивает траекторию, предсказывая, куда могла бы идти линия, и просто едет по воображаемому пути, пока пропуск не закончится. Вот только организаторы стали усложнять задачу, делая пропасти ещё коварнее.
Теперь линия может уводить в сторону, где трассы на самом деле нет. Для таких ловушек используют более продвинутый метод. Если за 10 см робот не находит линию, он начинает зигзагообразный поиск, постепенно увеличивая амплитуду, пока не наткнётся на продолжение дороги.
Кто хочет копнуть глубже про алгоритмы и турниры, ссылки оставлю. А мы переходим к самому главному. Я собираюсь проехать кольцевой трек.
Чтобы это сделать, мне нужно написать код и запрограммировать робота. Это займёт какое-то время. Много времени.
Вот теперь можно покататься. 3 2 1 старт. [музыка] Почему-то я не рассчитывала на иной результат.
К счастью, у меня есть Bluetooth, и я могу прямо на ходу вносить правки в код. После десятка калибровок и неудачных [музыка] попыток мне удалось это [музыка] сделать, но над скоростью ещё предстоит поработать, чтобы выйти на уровень мировых турниров. На этих роботах выросло целое поколение инженеров.
Их принципы лежат в основе технологии, которую мы используем каждый день. Прямо сейчас тысячи людей создают таких роботов по всему миру, продолжая развивать технологии дальше. Быть может, моё видео вдохновит и вас присоединиться и стать частью этой истории.
Если вы решили сделать или уже сделали своего робота, обязательно присылайте мне на почту. Лучшие работы опубликую в сообществе. Ставьте лайк, подписывайтесь и делитесь этим видео с друзьями.
M.
