Барбара Маццолаи всю карьеру обращалась к природе за вдохновением. Теперь она хочет, чтобы создаваемые ею технологии давали природе что-то взамен.
Начав карьеру биологом, Маццолаи по стечению обстоятельств перешла в инженерию и стала одним из первопроходцев биоинспирированной робототехники. Опираясь на знание того, как биология решает самые разные задачи, она создала роботов, вдохновлённых осьминогами, корнями растений и даже семенами. «Меня всегда завораживали живые организмы и то extraordinary разнообразие решений в природе, отобранных эволюцией», — говорит она.
Но Маццолаи, ныне заместитель директора по робототехнике в Итальянском институте технологий в Генуе, считает, что инженерии пора отвечать за собственное воздействие на природу. Поэтому она продвигает новое направление исследований, которое называет «устойчивой робототехникой».
В манифесте, опубликованном в Nature Machine Intelligence в июле, она с соавторами излагает видение нового подхода к проектированию роботов — такого, который должен улучшить отношения между природой, человеком и технологиями. «Нам нужно уменьшить след нашей технологии, — говорит она. — Речь о том, чтобы мыслить иначе и открыть новые возможности для робототехники и для общества». В этом новом режиме мышления Маццолаи считает устойчивость базовым компонентом дизайна.
Ребёнок природы
Интерес к живому миру Маццолаи прослеживает до детства на тосканском побережье, недалеко от портового города Ливорно. Её отец был инспектором общественного здравоохранения и профессиональным микологом, и семья много времени проводила в лесах, изучая местные грибы и растения.
Поиграв с мыслью заняться искусством — своей второй большой страстью, — Маццолаи в 1987 году поступила в Пизанский университет на биологию. Её особенно привлекала морская биология, но незадолго до выпуска со степенью магистра в 1995 году она получила исследовательскую позицию в Институте биофизики Национального исследовательского совета Италии, где изучала циклы тяжёлых металлов вроде ртути в живых и неживых частях среды.
Это включало сбор и анализ проб воды, почвы, овощей и даже человека — чтобы понять, как эти металлы влияют на здоровье и окружающую среду. Параллельно она изучала экологический менеджмент в Высшей школе имени Анны в Пизе и получила степень магистра в 1998 году.
В это время она узнала, что университет набирает биологов для разработки новых устройств мониторинга среды. Она подала заявку, получила место в 1999 году и начала работать научным ассистентом под руководством известного биоробототехника Паоло Дарио — сначала разрабатывала сенсоры, затем роботов для мониторинга воздуха, воды и почвы.
Ещё до поступления в докторантуру Маццолаи в 2004 году была повышена до доцента, а вскоре сделала первый шаг в биоинспирированную робототехнику. В сотрудничестве с коллегами из Сант-Анны она помогла спроектировать мягкого робота, вдохновлённого осьминогом. «Мы предложили его как парадигму для запуска идеи мягкой робототехники: показать, что роботы могут быть мягкими, но при этом прилагать большую силу к среде, как это делает животное», — говорит она.
Назад в школу
В 2007 году Маццолаи поступила в докторантуру по микроэлектронике в Университете Тор Вергата в Риме, совмещая её с работой в Сант-Анне. Она уже активно использовала методы микрофабрикации для создания сенсоров для своих роботов и хотела продвинуть эту часть поля.
Хотя роботы часто оснащены сенсорами для восприятия — тактильными или проприоцептивными, эти системы обычно фокусируются на понимании положения робота в среде, говорит она. «Но мало роботов, которые интегрируют физические или химические сенсоры, чтобы по-настоящему понимать среду, в которой они движутся», — добавляет она.
В 2009 году Маццолаи была назначена руководителем группы в Центре микро-биоробототехники Итальянского института технологий, где продолжила работу в зарождающейся области биоинспирированной робототехники. Через два года она защитила докторскую и была повышена до директора центра.
Семена
Примерно в это время Маццолаи заинтересовалась использованием растений как модели для новых видов роботов, расширив биоинспирацию за пределы животных. В частности, её заворожила способность корней эффективно исследовать подземную среду, и она представила машины с той же ловкостью — с применением в экологическом моделировании и точном земледелии.
Когда она впервые предложила эту идею, коллеги отнеслись к роботам, основанным на, казалось бы, статичных организмах, несколько скептически. Но на самом деле, говорит она, растения движутся непрерывно через процесс неограниченного роста. «Они растут всю жизнь, — говорит она. — Они адаптируют свою морфологию, своё поведение к внешней среде; они восстанавливаются, ощущают, общаются».
Попытка воспроизвести систему, работающую по столь иным принципам, чем традиционная робототехника, потребовала серьёзного осмысления. Маццолаи говорит, что работа в биоинспирированной робототехнике иногда требует «двух отдельных мозгов» — биолога и инженера.
Процесс часто включает глубокое изучение целевого организма, чтобы узнать основополагающие принципы, формирующие его работу, прежде чем пытаться создать робота, способного их воспроизвести. «Это не копия природных организмов, — говорит Маццолаи, — потому что живой организм и трудно реплицировать, и у него другие цели».
В случае с корнями растений то, что делает их такими эффективными в исследовании почвы, — они снижают трение, расти только на самом кончике структуры, пока толстое основание корня остаётся статичным. Это значительно снижает количество энергии, необходимой для продвижения сквозь землю, по сравнению с более традиционным буром, который должен проталкивать всю конструкцию сверху.
Чтобы реализовать этот принцип в роботе, её команда разработала миниатюрный 3D-принтер, который располагается на кончике машины и подаёт термопластичную нить через нагретое сопло, чтобы строить змееподобное тело позади. Это позволяет роботу эффективно продвигаться сквозь почву. Кончик также содержит сенсоры, позволяющие избегать препятствий и обнаруживать ближайшие питательные вещества или воду.
Устойчивая робототехника
После того как Маццолаи так долго заимствовала у природы, она теперь хочет вернуть ей долг. Многие современные технологии, включая пластик и автомобильные батареи, разрабатывались с малой мыслью о том, как они повлияют на окружающую среду в конце жизненного цикла, говорит она.
Она хочет, чтобы робототехника не пошла по тому же пути. Это вдохновение для того, что она и её соавторы теперь называют устойчивой робототехникой. Подход имеет три центральных столпа: обеспечение минимального воздействия роботов на окружающую среду; доступность для людей из всех стран и социально-экономических слоёв; и «симбиотичность» — польза как для человека, так и для природы.
Более конкретно, Маццолаи хотела бы включить концепцию жизненного цикла в проектирование роботов, чтобы в конце полезного срока службы эти машины можно было повторно использовать, перерабатывать или даже биоразлагать.
Хотя это может звучать амбициозно, она уверена, что все ингредиенты для воплощения в реальность есть. И это видение, которое, по её мнению, вдохновит будущих робототехников. «Есть молодые люди, которые хотят работать в этой области, потому что это будущее, их будущее, — говорит она. — Столкнувшись с угрозой ongoing экологического ущерба, они хотят разрабатывать что-то, что может помочь».
Источник: https://spectrum.ieee.org/sustainability-robotics-barbara-mazzolai
