Row-bot, который питается загрязнениями окружающей среды | Джонатан Росситер | TEDxWarwick

Подчеркивая важность применения улучшенных процессов, которые мы наблюдаем в живых организмах, в робототехнике, в своём выступлении Джонатан приводит пример Row-bot, прообразом которого стал гребляк— водное насекомое, питающееся водорослями и отмершими растениями. Row-bot — это крошечный робот, который двигается за счёт электричества, получаемого из поглощённой грязной воды.

Джонатан — профессор робототехники и глава Soft Robotics group в Бристольской робототехнической лаборатории.

Это выступление записано на мероприятии TEDx, независимо организованном местным сообществом с использованием формата конференций TED. Узнайте больше на http://ted.com/tedx

Здравствуйте, я инженер,

и я делаю роботов.

Вы все, конечно, знаете,
что такое робот, да?

Если нет, вы, скорее всего,
обратитесь к Гуглу

и спросите у него, что такое робот.

Давайте так и сделаем.

Мы заходим в Гугл, и вот что мы видим.

Вы видите, что тут есть
много разных видов роботов,

но они по конструкции
преимущественно человекоподобные.

Они выглядят достаточно стандартно,

потому что сделаны из пластика и металла,

у них есть моторы, различные механизмы.

Некоторые выглядят дружелюбно,

и вы можете подойти и обнять их.

Другие не особо дружелюбны,

они выглядят, будто прямо
из «Терминатора»,

и они действительно могут
быть из «Терминатора».

Вы можете делать много
классных штук с этими роботами:

вы можете делать реально
потрясающие вещи.

Но я хотел бы посмотреть
на другие виды роботов.

Я хочу создать других роботов.

И свои идеи я черпаю в том,
что не похоже на нас,

а выглядит вот так.

Это природные биологические организмы,

они делают классные вещи,
которые мы делать не можем,

и современные роботы тоже не могут.

Они могут что угодно, например,
передвигаться по полу,

они выходят в сад и едят наш урожай,

взбираются на деревья,

заходят в воду, выходят из неё,

ловят насекомых и переваривают их.

Они творят и правда интересные вещи.

Они живут, дышат, умирают,

добывают пищу из окружающей среды.

Наши нынешние роботы на такое не способны.

Было бы замечательно,

если бы мы могли использовать часть
этих характеристик в будущих роботах,

и решать разные по-настоящему
интересные проблемы.

Сейчас я расскажу о некоторых
текущих проблемах окружающей среды,

где мы можем использовать
умения и технологии,

взятые у животных

и растений,

и использовать их для решения тех проблем.

Рассмотрим две проблемы окружающей среды.

Обе созданы человеком —

то есть человек взаимодействует
с окружающей средой

и делает довольно ужасные вещи.

Первое связано с напором
растущего населения.

Увеличение количества жителей в мире

трубует от животноводства и сельского
хозяйства большей производительности.

Чтобы это осуществить

фермеры сыплют всё больше
химикатов в почву.

Они используют удобрения,
нитраты, пестициды,

то есть всевозможные вещества,
усиливающие рост урожая.

Но у этого есть и негативные последствия.

Одно из них заключается в том,
что не все удобрения, попадая в почву,

поступают в растения.

Довольно много остаётся в самой почве,

и во время дождей

эти химикаты попадают в грунтовые воды.

А грунтовые воды

перетекают в ручьи, озёра, реки

и в моря.

А когда химикаты и нитраты попадают

в разные экосистемы,

они влияют на обитающие там организмы,

например, водоросли.

Водоросли любят нитраты, любят удобрения,

поэтому они поглощают все эти химикаты,

и при благоприятных условиях
могут неимоверно разрастись.

Будут появляться новые и новые водоросли.

Это называется «цветение».

Проблема в том, что когда водоросли
воспроизводятся таким образом,

они забирают у воды кислород.

В результате этого

другие организмы, обитающие
в водоёме, не могут выживать.

Так что же мы делаем?

Мы пытаемся создать робота,
который питался бы этими водорослями,

перерабатывая и делая их безопасными.

Это настолько большая проблема,

вы можете видеть на слайде:

это массовое цветение водорослей
на побережье Корнуола

в 1999 году.

Распространилось это на 50 километров.

И проблема в том,

что это влияет на рыбные ресурсы,
моллюсков и прочее.

Это первая задача.

Вторая, над которой мы тоже работаем,

связана с нефтяным загрязнением.

Бывает, что нефть вытекает
из используемых нами двигателей,

из наших судов.

Иногда танкеры сбрасывают свои
нефтяные резервуары в море,

и таким образом нефть попадает в море.

Кроме того, происходят стихийные бедствия:

аварии на газопроводах и нефтепромыслах.

Так, в 2010 году произошёл разлив нефти
на нефтяной платформе Deepwater Horizon.

На снимке со спутника очень
хорошо видно большое нефтяное пятно.

Это оказало разрушающее влияние

на птиц, рыб и на прибрежную территорию.

Разве не замечательно бы было
как-то исправить это дело,

используя роботы, способные есть
загрязнения этих нефтяных пятен?

Вот чем мы занимаемся.

Мы создаём роботов,
которые будут поедать загрязнения.

На создание такого робота

нас вдохновляют два организма.

Справа вы видите гигантскую акулу.

Гигантская акула — массивная акула.

Она не хищная, поэтому
с ней можно плавать,

как сами видите.

Акула открывает пасть

и плывёт в толще воды, собирая планктон.

При этом она переваривает пищу,

получая энергию, которая
даёт ей возможность плыть.

Наподобие мы можем сделать робот —

он, как эта акула, будет
продвигаться через воду

и поедать загрязнения, так?

Давайте посмотрим, возможно ли это.

Мы также взяли идеи и у других организмов.

Вот фото гребляка.

Гребляк и правда забавный.

Скользя по воде,

он использует ноги-вёсла,
чтобы толкать себя вперёд.

Мы взяли этих двух существ

и объединили их, чтобы
создать новый вид робота.

Так как мы использовали гребляка
в качестве основы,

а наш робот плывёт по поверхности воды

и гребёт,

мы его назвали «Row-bot»
[от англ. row — грести].

Row-bot — это робот, который умеет грести.

Как он выглядит?

Вот несколько фотографий Row-bot.

Вы можете видеть,

что он не похож на большинство роботов,
которых я показывал в начале.

Гугл был не прав, роботы выглядят не так,

они выглядят вот так.

Я принёс с собой Row-bot.

Я вам его сейчас покажу.

Это даст вам ощущение масштаба,

он на самом деле не похож на других.

Сделан он из пластика.

А теперь давайте разберём на компоненты,

из чего он состоит,

что делает его особенным.

Row-bot собран из трёх частей,

каждая из которых —
как часть у любого организма.

У него есть мозг,

туловище

и желудок.

Желудок ему нужен,
чтобы производить энергию.

У каждого Row-bot есть
эти три составляющие,

и у каждого организма есть
те же три составляющие,

давайте разберёмся поподробнее.

У него есть туловище,

туловище сделано из пластика,

оно находится на поверхности воды.

По сторонам есть плавники, вот здесь —

вёсла, которые помогают грести,

прямо как у гребляка.

Туловище из пластика,

но его рот сделан из мягкой резины.

Вот... У него два рта.

Зачем ему два рта?

Через один пища попадает внутрь,

а через другой — выходит.

Итак, вы видите: у него есть и рот, и зад

или...

(Смех)

то, откуда всё выходит,

как и у любого живого организма.

Так что он уже начинает
напоминать ту гигантскую акулу.

Вот туловище.

Вторым компонентом может быть желудок.

Нам нужно обеспечить робота энергией
и одновременно убрать загрязнения,

поэтому загрязнения попадают внутрь,

и с ними что-то будет происходить.

Посередине есть элемент, он называется
«микробный топливный элемент».

Я поставлю его на стол
и подниму топливный элемент.

Вот здесь. Вместо батареек,

вместо обычной системы питания,

есть вот такая штука.

Это его желудок.

Это настоящий желудок,

потому что можно с этой стороны
поместить энергию в виде загрязнений,

и они произведут электричество.

А что же это?

Это микробный топливный элемент.

Слегка похож на химический
топливный элемент,

который вы, возможно, видели на уроках

в школе или в новостях.

Этот элемент использует
водород и кислород,

они взаимодействуют
и производят электричество.

Это устоявшаяся технология применялась
ещё во время миссии «Аполлон».

Это было 40–50 лет назад.

Это немного поновее.

Микробный топливный элемент.

Принцип тот же самый.

С одной стороны — кислород,

а с другой — не водород,

а что-то вроде супа,

внутри этого супа — живые микробы.

Если взять органические вещества,

это могут быть отходы, еда,

даже кусочек вашего сэндвича,

поместить это всё внутрь,
микробы начнут это есть эту пищу

и превращать в электричество.

А если подобрать нужный вид микробов,

можно использовать этот топливный элемент
для борьбы с загрязнениями.

Если выбрать нужный вид микробов,

они смогут питаться и водорослями.

Если вы возьмёте другой вид микробов,

они будут поглощать пары́ бензина
и неочищенную нефть.

Теперь понятно, как этот желудок
может быть использован:

не только для борьбы с загрязнением,

но и для получения
электричества из отходов.

Робот будет двигаться в экосистеме,

заглатывать пищу в желудок,

переваривать её,
производить электричество,

использовать его для
дальнейшего продвижения,

и далее по кругу.

А теперь давайте посмотрим,
что произойдёт во время работы Row-bot,

когда он гребёт.

Я покажу вам два видео-ролика,

на первом — надеюсь хорошо видно —

рот открыт.

Передняя и задняя части рта открыты

и остаются достаточно открытыми,

пока робот не начинает грести вперёд.

Он движется в воде,

еда попадает внутрь,
а отходы выходят наружу.

Когда он достаточно поработал,

он останавливается и закрывает рот,

делает он это медленно,

а затем спокойно сидит

и переваривает пищу.

Конечно, это делают микробные
химические элементы,

которые содержат микробы.

Всё, что нужно — много энергии,

получаемой от микробов,
и как можно быстрее.

Но мы не можем заставить микробов

делать это быстрее, они производят
мало энергии за секунду.

Они генерируют милливатты или микроватты.

Я приведу аналогию.

Например, ваш мобильный телефон,

самый современный,

он потребляет около одного ватта.

Это в тысячу или даже
в миллион раз больше,

чем у микробного топливного элемента.

Как мы с этим справляемся?

Когда Row-bot переварил пищу

полсе того, как он принял пищу,

он всё ещё сидит и ждёт,
пока не переварит всю пищу.

Это может занять несколько часов
или даже дней.

Обычный цикл робота выглядит так:

открывает рот,

двигается,

закрывает рот,

потом останавливается и ждёт.

Как только переварил пищу,

всё начинается заново.

Выглядит, как настоящий
живой организм, правда?

Похоже на то, что делаем мы.

В субботу вечером мы
выбираемся куда-нибудь,

наполняем желудки,

потом садимся перед телевизором
и перевариваем пищу.

Когда переварили достаточно,
повторяем с самого начала.

Если всё хорошо с этим циклом,

в конце мы получим достаточно энергии,

чтобы мы могли делать что-нибудь ещё.

Например, можно отправить сообщение.

Можно отправить смс, типа:

«Вот сколько отходов я недавно съел»,

или «Я недавно столкнулся с такой штукой»,

или «Вот где я».

Способность написать
сообщение «Вот где я» —

самая, самая важная.

Если подумать о пятнах нефти,
что мы видели раньше,

или о массовом цветении водорослей,

вам надо будет поместить
вашего Row-bot там,

он съест все эти загрязнения,

после чего вам придётся идти их собирать.

Почему?

Потому что эти современные Row-bot —

и этот, который у меня, —

содержат моторчики, провода,

компоненты, которые не биоразлагаемы.

Современные Row-bot содержат
токсичные батареи.

Их нельзя оставлять в природе,

поэтому их нужно отслеживать,

и когда они закончат свою работу,

из нужно собрать.

Так что можно использовать
лишь ограниченное число Row-bot.

С другой стороны,

если у вас есть робот немного
похожий на биоорганизм,

когда его жизненный цикл подойдёт к концу,

он умрёт и полностью разложится.

Поэтому было бы лучше,
если вместо того,

чтобы делать их из пластика, как сейчас,

они бы были из другого материала,

который, когда выбрасываешь,

саморазлагался бы полностью.

Тогда изменится способ их использования.

Вместо 10 или 100 штук,
которые мы выпускаем в природу,

вынуждены следить за ними,

а когда они умирают,

собирать их,

их может стать тысяча,

миллион, миллиард в природе.

Просто пустить их повсюду вокруг.

И в конце своей жизни
они будут разложены полностью.

О них не нужно будет беспокоиться.

Это меняет ваше представление о роботах

и способе их использования.

Вопрос: можем ли мы это сделать?

Да. Мы показали, что это возможно.

Можно создать биоразлагаемых роботов.

Что самое интересное —
есть много обычных материалов,

которые можно использовать.

Я покажу несколько.
Возможно, вы удивитесь.

Можно сделать робота из желе.

Вместо мотора, который
используется сейчас,

можно взять так называемые
искусственные мышцы.

Искусственные мышцы —
это умный материал,

если подключить электричество,

они начнут сокращаться, гнуться, тянуться.

Выглядят как настоящие.

Итак, вместо мотора — искусственные мышцы.

И их можно сделать из желе.

Нужно взять немного желе и соли,

сделать кое-какие манипуляции,

и получатся искусственные мышцы.

Можно сделать то же
самое из каучука, латекса.

То есть вы можете сделать
робота из воздушного шарика.

Или из резиновой перчатки.

Можно даже сделать его из бумаги.

Вы можете сделать приводы,
то есть, вещи, которые движутся,

с электричеством, из бумаги.

Мы уже показали, как сделать желудок
с микробными топливными элементами

из бумаги.

То есть можно сделать робота полностью
из саморазлагающегося материала.

Вы оставляете их там,
и они сами полностью разлагаются.

Это и правда, очень-очень захватывающе.

Это полностью поменяет
наше представление о роботах,

а также позволит проявить
больше творчества,

чтобы придумать, как и
где их можно применить.

Я приведу пример.

Если использовать
желе для создания робота,

сейчас мы едим желе, так?

Почему не сделать что-нибудь подобное?

Робот-Мишка Гамми.

Я кое-что подготовил заранее.

Итак, начнём. У меня есть пачка,

она с лимонным ароматизатором.

Я возьму этого мишку гамми —
это не робот, ладно?

Просто представим.

И что вы сделаете с одним из них?
Положите в рот.

Лимон вкусненький.

Не жуйте сильно, это же робот,
ему может не понравиться.

А затем вы его проглатываете.

Он попадает в ваш желудок.

И внутри желудка он двигается,
думает, крутится, наклоняется,

что-то делает.

Далее он попадает в кишечник,

выясняет есть ли у вас язва или рак,

возможно, он сделает укол
или ещё что-то.

Вы знаете, что раз он сделает свою работу,

ваш желудок его употребит,

а если вы не хотите этого,

он может выйти через вас

в туалет

и будет безопасно разлагаться в природе.

Это полностью меняет
наше представление о роботах.

Мы начали с роботов, которые едят отходы,

а закончили роботами,
которых едим мы сами.

Думаю, это наведёт на мысль,

как можно использовать роботов в будущем.

Большое спасибо за внимание.

(Аплодисменты)