Современные роботы идут в ногу с современной революцией и достижениями в области искусственного интеллекта. Но основные аналоговые механизмы, имитирующие человеческие или животные действия, существовали уже давно. Даже если вы вообще не интересуетесь робототехникой, эти древние устройства должны очаровать вас своей изобретательностью. Созданные без преимуществ электричества или точного оборудования, они являются свидетельством безграничного творческого потенциала человечества.
Движущиеся статуи
Литература древности изобилует рассказами об искусственных людях. Возможными ссылками на них можно назвать человекоподобных служанок в «Илиаде» Гомера и движущиеся статуи, созданные Дедалом, отцом легендарного Икара. Греки также упоминали, что бог Гефест сделал критскому царю Миносу гигантского бронзового человека по имена Талос, который защищал его королевство. Талос был практически неуязвим, и единственным уязвимым местом у него была пятка, где кровеносная жила проходила близко к металлической коже. Талоса уничтожили, проткнув лодыжку и подрезав жилу.
Истории о движущихся статуях в древнем Египте описывают одну, сделанную жрецами Аммона примерно в 1100 г. до н. э. Статуя избрала следующего фараона, вытянув руку и указав на мужчину из королевской семьи. Движущие статуи, очевидно, были весьма полезны для религиозной пропаганды. В Египте их считали сосудами, с помощью которых перевоплощаются души.
Возможно, эти машины были далеко не мифологичны. Письменные свидетельства указывают, что у древних египтян было достаточно знаний элементарных принципов механики, чтобы строить нецифровых роботов, или так называемые автоматоны. Обычный метод строительства включал систему тросов и шкивов. Священное пламя возжигалось, нагревало и расширяло воздух, что активировало систему.
На протяжении веков этот процесс улучшался и оттачивался. Грек Ктесибий Александрийский построил автоматон, управляемый кулачковым механизмом (дискообразными устройствами), который позволял ему сидеть или стоять, меняя свою позу. Ни одна из работ Ктесибия, даже письменная, не дошла до наших времен, но позднее инженеры древности ссылались на его планы автоматонов, работающих на гидравлике, пару и пневматике. Технологии того времени позволяли автоматонам совершать только ограниченное число одних и тех же движений, но мы все еще можем отследить происхождение роботов до Ктесибия.
«Коготь»
Строго говоря, краноподобное орудие Архимеда не было роботом, поскольку ему требовался крановщик. Однако «Коготь» был предшественником промышленного робота-манипулятора, который встречается на современных заводах. «Коготь» поднимал вражеские корабли из воды и переворачивал их.
Разработан он был специально против римских захватчиков Сиракуз в 213 г. до н. э. Историк Полибий описывал сцену, когда римские корабли подошли к стенам города, выходящим к морю. Гигантская рука налетела на вражеский флот и «подняла нос корабля из воды и поставила его вертикально на корму». Затем оператор «закрепил машину, сделав ее недвижимой, а после этого запустил какой-то механизм, который сбросил крюк и цепь. Корабли затем либо переворачивались, плохо вставая на воду, либо заполнялись смятением и морской водой».
Плутарх добавляет: «Зачастую наблюдалось страшное зрелище: корабль поднимался из воды в воздух и вращался на одном месте, пока каждый мужчина не был вытряхнут и выброшен в неопределенном направлении».
«Коготь» был блестящим исполнением двух великих законов Архимеда — закона рычага и закона плавучести, которые в сумме могли перевернуть многотонные корабли. Знание сил и равновесия использовалось для вычисления небольшого количества прикладываемой силы.
На самом деле, у нас нет прямых доказательств того, что Архимед вообще когда-либо создавал это сверхоружие, и древние историки, конечно, могли существенно преувеличивать его заслуги, даже если такое устройство и правда существовало. Но недавние эксперименты инженеров доказали, что «Коготь» был технологически возможен в то время.
Служанка Филона
Греческий изобретатель Филон Византийский, умерший около 220 г. до н. э., был известен как «Механикус», благодаря своим внушительным инженерным заслугам. Большая часть информации о нем известна нам по единственной сохранившейся его работе, девятитомному собранию «Сборник механики». Он жил после Ктесибия и продолжал исследования своего предшественника в сфере гидравлики и пневматики.
Книга пятая, «Пневматика» (трактат об устройствах, работающих на воздушном или водяном давлении), описывает робота женского пола, которого создал Филон. Она держала кувшин с вином в правой руке. Когда на ее левой руке размещался кубок, она наливала в него вино, добавляла воду и смешивала воду, если того пожелает хозяин. Через сложную сеть контейнеров, трубок, воздушных труб и извилистых пружин, которые взаимодействовали с весом, давлением воздуха и вакуумом, Филон построил автоматон, который может выполнять полезную работу, а не просто быть опорой в религиозных церемониях.
Однако доступность дешевого рабского труда очень скоро свела на нет необходимость в роботах. Робототехнике пришлось ждать более позднего времени, чтобы реализовать свой потенциал. Работа Филона повлияла на следующее поколение ученых, в том числе на Герона Александрийского. Также его идеи прошли через века и вдохновили исламскую науку в Средние века.
Программируемый робот Герона Александрийского
Герон Александрийский (10 – 70 г. н. э.) был, возможно, лучшим изобретателем древности. Среди его гениальных устройств — дозаторы святой воды, работающие за монеты (прообраз современных вендинговых аппаратов), автоматические вери, простая паровая турбина (двигатель Герона, или aeolipile), которая работала на пару еще за 1700 лет до изобретения парового двигателя силами Джеймса Уатта. Одним из самых блестящих изобретений Герона был первый программируемый робот, которого он создал еще в 60 г. н. э.
Устройство представляло собой трехколесную тележку, которая везла других роботов на сцену, где они выступали для зрителей. На веревке был подвешен груз, обернутый вокруг двух независимых осей тележки. Используя колышки, Герон мог изменять то, как веревка наматывалась на оси. Это позволяло ему заранее программировать ход робота и его направление. В ходе своих экспериментов, Герон вывел одну незатейливую, но важную истину: трение может помешать ходу робота, поэтому нужна гладкая поверхность.
Компьютерный ученый Ноэль Шарки из Университета Шеффилда считает, что эта система управления на основе веревки эквивалентна современному бинарному программированию. Старые перфокарты работали по тому же принципу.
Рыцарь и лев Леонардо да Винчи
Ни одно обсуждение древних роботов не обходится без упоминаний заслуг Леонардо да Винчи. Учитывая гений да Винчи, нет ничего удивительного в том, что он пробовал себя в создании искусственных людей и животных.
Леонардо изучал работы Герона и объединял знания и наработки ученого со своими собственными знаниями анатомии, работы с металлами и скульптуры, чтобы создавать собственных искусственных существ. Благодаря пониманию механики движений человека и животного (кинезиологии), Леонардо сумел построить механические модели мышц и суставов. Несколько недостающих страниц из тетради Леонардо Codex Atlanticus могли быть отведены робототехнике.
Для конкурса в Милане Леонардо построил собственного бронированного рыцаря, который мог передвигаться самостоятельно. С помощью шкивов, весов и передач рыцарь мог садиться, вставать, двигать головой и поднимать забрало. Используя фрагменты описаний, которые остались с тех времен, робототехник Марк Рошейм воссоздал рыцаря в 2002 году. Роботизированные конструкции Леонардо были настолько эффективными, что послужили вдохновением для собственных роботов Рошейма в NASA.
Другим творением Леонардо был лев, представленный королю Франциску I во Франции в 1515 году. Лев мог ходить сам по себе. Когда он останавливался, его грудь раскрывалась и в ней оказывались букеты из роз и лилий. В 2009 году лев был воссоздан по чертежам Леонардо.
Молящийся монах
Джанелло Торриано был одним из лучших итальянских часовщиков 16 века. Он поступил на службу к императору Карлу V в 1529 году и отправился с ним в монастырь в Сан-Юстре после отречения Карла в 1555 году. Торриано пытался облегчить депрессию императора, создавая небольшие автоматоны для его развлечения.
У Торриано были миниатюрные солдаты, которые дрались на обеденном столе. Сообщается, что он вырезал из дерева небольших птичек, и те летали по комнате и даже на улице. Один автоматон, Леди-лютнистку, можно увидеть в Музее истории искусств в Вене. Он больше не работает, но однако все еще умеет делать небольшие шажки по прямой или кривой линии, бренчать на лютне правой рукой и наклонять голову.
В Смитсоновском институте, однако, есть рабочее устройство, приписываемое Торриано — 39-сантиметровый молящийся монах. Автоматон из дерева и железа ходит по площади и бьет себя в грудь правой рукой, левой перебирая четки, иногда целуя их. Он может поворачивать и кивать головой, закатывать глаза и шептать тихие молитвы.
Легенда гласит, что когда Дон Карлос, юный сын Филиппа II, умирал от травмы головы, получив ее при падении, Филипп и вся Испания молились о чуде. Рядом с мальчиком разместили мощи монаха Диего де Алкала, который был мертв уже сто лет. В ту ночь Дону Карлосу явился дух монаха и сообщил, что мальчик поправится. Дон Карлос пришел в сознание и впоследствии поправился. Благодарный Филипп поручил Торриано создать образ святого Диего. Молящийся монах, научное чудо, было ответом Филиппа на чудо священное. Город Сан-Диего в Калифорнии также был назван в честь Диего де Алкалы.
Каракури нингё
Любовь японцев к роботам уходит корнями глубоко в прошлое. Первый японский робот был создан в эпоху Эдо (1603 – 1868). Его назвали каракури нингё (механическая кукла) и он был собран из дерева, струн и винтиков. Японцы также позаимствовали западный часовой механизм для этого автоматона.
Еще больше распространены были дзасики каракури, маленькие бытовые роботы, целью которых было развлекать японцев. Они могли стрелять из лука, например. Некоторые каракури даже могли угощать гостей чаем. Если вспомнить механизм Филона, роботы каракури тоже активировались после размещения чашки на руке автоматона. А если вспомнить роботизированную тележку Герона, благодаря настраиваемой струне, можно было запрограммировать каракури на движение по циновке в двух направлениях.
Были еще даси каракури, которые использовались во время религиозных процессий на фестивалях, подобно движущейся статуе Ктесибия. Эти автоматоны разыгрывали древние мифы и легенды. Бутаи каракури, или театральные автоматоны, тоже использовались для представлений. Японцам очень нравились эти миниатюрные актеры, движения которых пытались повторить люди — а не наоборот, как вы могли бы подумать.
«Флейтист»
Вольтер назвал гения механики Жака де Вокансона «Новым Прометеем» за его невероятную силу даровать жизнь неживой материи. Будучи еще совсем ребенком, Жак изучал церковные часы, ожидая, пока его мать закончит исповедь. Жак запоминал все детали часов и воссоздавал их у себя дома. Немного повзрослев, начал экспериментировать с автоматонами. Однажды Жак заболел и в бреду ему явился андроид-флейтист. Когда Жак встал на ноги, он немедленно начал воплощать робота в реальность.
Впервые представленный 11 февраля 1738 года, «Флейтист» был практически невозможной для строительства машиной; учитывая то, что флейта — один из сложнейших инструментов, играть в гармонии с реальными людьми «Флейтисту» было неописуемо сложно. Однако Жаку де Вокансону удалось создать робота так, что он мог воспроизводить 12 различных мелодий. Все механизмы были построены так, чтобы имитировать каждый мускул, участвующий в игре на флейте.
С помощью системы мехов, труб и весов Жак мог контролировать воздух, протекающий через проходы. Он спроектировал губы, которые могли открываться, закрываться и двигаться назад и вперед. Металлический язык регулировал поток воздуха и создавал паузы. Робот Жака действительно дышал.
Проблема, с которой столкнулся Жак, была в пальцах — деревянные пальцы были слишком жесткими, чтобы выдавать нужные звуки, несмотря на то что все рычаги работали правильно. Чтобы имитировать реальные пальцы, Жак покрыл деревянные конечности настоящей кожей, сделав их мягкими.
Жак де Вокансон делал и другие автоматоны, наиболее известным из которых была утка, которая испражнялась после еды. Но, в отличие от «Флейтиста», утка была скорее забавной безделушкой, нежели стоящим проектом по воссозданию функций живого существа.
«Писатель»
В Музее искусств и истории в Невшателе, к западу от Берна, Швейцария, за столом из красного дерева сидит трехлетний босой мальчик и выписывает полные слова гусиным пером правой рукой. То, что на первый взгляд кажется очаровательной игрушечной куклой, на самом деле является чудом инженерного ремесла: предком современного компьютера. Взгляните поближе и увидите, как его глаза следят за тем, что делают руки. Мальчик встряхивает гусиным пером после погружения его в чернильницу.
Созданный часовщиком швейцарского происхождения Пьером Жаке-Дро в конце 1770-х, «Писатель» состоит из 6000 отдельных компонентов, которые работают совместно и создают полностью автономную программируемую пишущую машинку. Мальчик может написать любой текст из сорока слов в четыре строки, благодаря 40 кулачкам, которые работают только в качестве программы для чтения. Эта система позволяет писать текст без какого-либо вмешательства извне. «Писатель» даже может прерваться на середине строки и начать писать новый текст.
Жаке-Дро умел удивлять людей своими автоматонами. При дворе короля Фердинанда VI Испанского люди были убеждены, что создания Жаке-Дро были своего рода колдовством. Чтобы избежать обвинений в колдовстве от инквизиции, Жаке-Дро пригласил Великого инквизитора и представил ему робота и его внутренний механизм для изучения. Никакого волшебства.
«Писатель» был одним из трех андроидов, созданных Жаке-Дро с 1767 по 1774 год. Два других, менее сложных, чем «Писатель», представлены Леди-Музыкантом и Чертежником. Эти роботы интересны миниатюризацией внутренних механизмов. Все они заключены в телах, а не на мебели поблизости, как это обычно бывало. Миниатюризация требовала более сложной настройки всех частей механизма, но благодаря этому роботы продолжают функционировать спустя 200 лет после создания. И этим удивительны.
«Рисующий мальчик»
На выставке в Институте Франклина в Филадельфии автоматон возрастом более чем двести лет — «Рисующий мальчик» — продолжает традицию механической магии, начатой «Писателем». «Рисующий мальчик» — это шедевр еще одного швейцарского часовщика, Анри Малларде. Как и «Писатель», он вдохновил Мартина Скорсезе на фильм «Хьюго», в котором автоматон играет вспомогательную роль.
«Рисующий мальчик» потрясает своей сложностью. Коллекция вращающихся медных кулачков точно контролирует невероятно плавные и реалистичные движения рук. Это не простая геометрия вроде перемещения руки на оси x, y или z. Чтобы нарисовать прямую диагональную линию, например, руке нужно постоянно поворачиваться, иначе она нарисует дугу.
После того как завести робота, он может рисовать в течение трех минут. В процессе задействуется множество кулачков, и если нужен другой рисунок, машина должна переместить целую стопку кулачков на 3 миллиметра, чтобы перейти к другой стопке, иначе весь процесс будет нарушен. Невероятная точность достигается тем, что почти все детали были сделаны вручную. «Рисующий мальчик» может написать три стихотворения (два на французском и одно на английском языке) и выполнить четыре рисунка, в том числе китайский храм.
Несколько простых кулачков управляют движениями глаз и головы. В процессе изобразительного процесса, мальчик останавливается на момент, когда стопка кулачков сдвигается, поднимает свою голову и мгновение смотрит куда-то вдаль, словно думая, что бы нарисовать следующим. Затем он опускает голову, и рука продолжает творить.