Читать книгу: «От мехатронизации до мехатроницизма», страница 3

Глава 2

Новая парадигма

2.1. Постановка задачи исследования

Задача исследования показать, что человечество переходит к культу разума (изменению конструктивных принципов машин, обеспечению нового системного качества, перенос функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным – электронным, компьютерным и информационным компонентам, интеллектуализации движения, освоению биоприводов), Культ силы (мощности машин, ускорения различных переходов процесса производства) остается в прошлом.

2.2. Описание исследования

Новая концепция в области хранения информации – переход с аналоговых форматов к цифровым форматам. Особенно эта необходимость сказалась в спутниковой связи, где имеет место значительного удаления приемника от передатчика, ограничения мощности. Спутниковая связь плохо подходит для передачи аналогового сигнала. Поэтому сигнал, с целью обеспечения помехоустойчивости, оцифровывают, применяют специальные передающие антенны и системы исправления ошибок. Следует отметить, что многие страны перешли с аналогового телевизионного вещания к цифровому телевидению.

Новая научно-техническая концепция – голография и голографическое телевидение. Найден метод перезаписи голографического изображения и таким образом устройство голографического изображения не за горами. Экран может быть вертикальный или горизонтальный, и герои фильмов и особенно мультфильмов будут ходить прямо по журнальному столику у телезрителей в доме. Лучшие детские фильмы придется перезаписывать в голографическом изображении, что естественно потребует исследований и разработок нового оборудования.

Развития голографического телевидения позволит небосвод использовать как экран и даже может быть как цветной, будет светиться всеми цветами радуги. Возникнет голографическая индустрия, новые отрасли.

Новая научно-техническая концепция – электромобили. Экологические, в первую очередь, а так же эконмические проблемы заставили человечество вернуться вначале XXI века к электромобилям. К этому времени аккумуляторы стали более совершенны. Так в 2010 году на одном заряде аккумулятора электромобиль Daihatsu проехал 1000 километров, а электромобиль Ventura развил максимальную скорость 515 км/ч. Процесс совершенствования аккумуляторов и самих мехатронных систем электромобилей повысит возможности внедрения электромобильной техники. Курортные города полностью перестраивают сервисное обслуживание под эксплуатацию электромобилей. Экологический и экономический эффект будет значительным.

Новая концепция – нанонаука. Разработана наноразмерная архивная память, которая способна длительно хранить данные высокой плотности. В основе конструкции такой памяти лежат углеродные нанотрубки и кристаллические наночастицы железа, которые под воздействием низкого напряжения могут двигаться и конечная позиция наночастицы фиксируется и прочитывается простым измерением сопротивления.

Останавливаясь на нанотрубках, следует отметить необычные свойства фуллеренов, частным случаем которых являются нанотрубки. Использование для смазки добавок на основе фуллереновой сажи повышает антифрикционные и противоизносные свойства трущихся тел, фуллерен используется в качестве материала для полупроводниковой техники.

Нанотрубки нашли применение в радиоаппаратуре, механические колебания нанотрубки позволяют слышать радиосигналы. Радио нанотрубки за счет малых размеров применяют в радиоуправляемых устройствах довольно малых размеров, чтобы существовать в человеческой крови.

Применение нанотехнологии позволяет осуществлять прямое преобразование светового потока в движение. Так, например, использование оптотермального отопления приводит к появлению градиентов поверхностного напряжения жидкости, в результате предмет, изготовленный на основе вертикально связанных нанотрубок, встроенных в пластик, эффективно поглощает свет и преобразует его в тепло. Когда предмет асимметрично нагревается, возникает движущая сила на предмет по поверхности жидкости.

Для очистки кровеносных сосудов от отложений холестерина нужны наноскопические двигатели – размером с молекулу. Группа ZETTL смогла создать нанодвигатель – мехатронный модуль, с использованием многочисленных слоев углеродных нанотрубок. Мехатронный модуль представляет собой вращающуюся пластину из металла, и закрепленной на ней углеродной нанотрубкой.

Низкие внешние напряжения с высокой точностью контролируют скорость работы и положение ротора – пластины. Это высокий уровень мехатронизации.

Сейчас мы приступаем к рассмотрению следующей научно-технической концепции, основной для новой парадигмы – искусственный интеллект (ИИ).

Самый общий подход предполагает, что ИИ будет способен проявлять поведение, не отличающееся от поведения человеческого, причём в нормальных ситуациях. Эта идея является обобщением подхода теста Тьюринг, который утверждает, что машина станет разумной тогда, когда будет способна поддерживать разговор с обычным человеком, и тот не сможет понять, что говорит с машиной (разговор идёт по переписке).

Наука об ИИ прошла путь, от зарождения фундамента математической теории вычислений – теории алгоритмов, когда были созданы первые компьютеры, до гибридного подхода, который предполагает, что только синергийная комбинация нейронных и символьных моделей достигает полного спектра когнитивных и вычислительных возможностей.

Например, экспертные правила умозаключений могут генерироваться нейронными сетями, а порождающие правила получают с помощью статистического обучения. Сторонники данного подхода считают, что гибридные информационные системы будут значительно более сильными, чем сумма различных концепций по отдельности.

Было предложено создание систем искусственного интеллекта, основанных на моделировании рассуждений, где теоретической основой служит логика, через агентно-ориентированный подход, развиваемый с начала 1990 годов, основанным на использовании интеллектуальных (рациональных) агентов.

Согласно этому подходу, интеллект – это вычислительная часть (грубо говоря, планирование) способности достигать поставленных перед интеллектуальной машиной целей. Сама такая машина будет интеллектуальным агентом, воспринимающим окружающий его мир с помощью датчиков, и способной воздействовать на объекты в окружающей среде с помощью исполнительных механизмов.

Этот подход акцентирует внимание на тех методах и алгоритмах, которые помогут интеллектуальному агенту выживать в окружающей среде при выполнении его задачи. Так, здесь значительно тщательнее изучаются алгоритмы поиска пути и принятия решений.

Логический подход может быть проиллюстрирован применением для этих целей языка и системы логического программирования Пролог. Программы, записанные на языке Пролог, представляют наборы фактов и правил логического вывода без жесткого задания алгоритма как последовательности действий, приводящих к необходимому результату.

Искусственный интеллект развивается. Проблематика машинного обучения касается процесса самостоятельного получения знаний интеллектуальной системой в процессе её работы. Это направление было центральным с самого начала развития ИИ.

В середине XX века Рей Соломонофф изложил отчёт о вероятностной машине, обучающейся без учителя. Сторонники данного подхода считают, что феномены человеческого поведения, его способность к обучению и адаптации есть следствие именно биологической структуры и особенностей её функционирования. Данный подход отличается от понимания искусственного интеллекта по Джону Маккарти, когда исходят из положения о том, что искусственные системы не обязаны повторять в своей структуре и функционировании структуру и протекающие в ней процессы, присущие биологическим системам.

Следующая научно -техническая концепция – робототехника. В 1962 году вышли в свет первые в США промышленные роботы «Версатран» и «Юнимейт», причём некоторые из них функционируют до сих пор, преодолев порог в 100 тысяч часов рабочего ресурса.

Если в этих ранних системах соотношение затрат на электронику и механику составляло 75 % к 25 %, то в настоящее время оно изменилось. Конечная стоимость электроники продолжает неуклонно снижаться. Появление в 1970-х годах недорогих микропроцессорных систем управления, которые заменили специализированные блоки управления роботов на программируемые контроллеры, способствовало снижению стоимости роботов примерно в три раза. Это послужило стимулом для их массового распространения по всем отраслям промышленного производства. Важнейшие классы роботов широкого назначения – манипуляционные и мобильные роботы.

Манипуляционный робот–мехатронизированная машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде – манипулятора имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.

Мобильный робот – мехатронизированная машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колесными, шагающими гусеничными. Существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы.

Совершенствуется управление робототехническими системами. Решается комплекс задач, связанных с адаптацией робота к кругу решаемых им задач, программированием движений, синтезом системы управления и её программного обеспечения.

Снаучно – техническая концепция – военная техника. Ярким представителем мехатронных систем является самолет с обратной стреловидностью крыла Су-47 «Беркут» производит впечатление футуристичной машины, которая летает вопреки законам физики. Конечно, все это, кажется только на первый взгляд. Подогревает интерес к самолету нетрадиционная модель крыла. А его маневренность восхищает специалистов и пилотов.

Россия одной из немногих стран довела идею обратной стреловидности крыла до логического завершения. Эта работа была трудоемкой, затратной для бюджета, но все труды имели смысл. Возможно, по этой причине Су-47 «Беркут» является предметом гордости конструкторов и военных, неоднократно выступает украшением авиационных шоу. Самолет получил передовую авионику. Су-47 «Беркут» близок по характеристикам проекту «Стэлс». Технологии русского истребителя также позволяют оставаться незамеченным для радаров.

Еще одной интересной мехатронной системой является бронеавтомобиль «Каратель». Машина предназначен для транспортировки военнослужащих спецназа, причем в десантном отсеке бойцы размещаются спина к спине, что обеспечивает им круговой обзор и возможность вести огонь через бойницы.

Кроме того, машина оборудована системой из шести видеокамер, которые позволяют оценивать окружающую обстановку при сложных метеоусловиях и в ночное время. Броня «Карателя» соответствует шестому классу. Подвеска и дно машины защищены от минной опасности.

Весьма оригинальной является конструкция дверей: каждая из них состоит из верхней и нижней створки. При этом нижняя створка выполняет функции подножки при десантировании. Определенные вопросы вызывает дизайн передней части броневика с большими окнами, расположенными под чрезвычайно острым углом, водителю удобно смотреть на дорогу с хорошим углом обзора.

Следующая научно -техническая концепция – микроэлектромеханические системы (МЭМС). Для них характерны два признака. Первый – это размер, второй – наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. В мире они известны под аббревиатурой MEMS – MicroElectroMechanical Systems.

С микроситемами связывают тот технологический рывок, который человечество совершит в 21 веке, им предрекают совершить такой же переворот, который совершила в 20 веке микроэлектроника.

Микротехнологии развиваются на основе научно-технологического задела микроэлектроники. Вместе с тем, микроэлектромеханические системы, призваны активно, взаимодействовать, с окружающей средой. Кроме того, конструкции систем обладают выраженной трехмерностью.

От классических механических систем их отличает размер – материалы в таком масштабе ведут себя несколько иначе, чем в объемном виде, хотя микросистемы еще подчиняются законам классической физики, в отличие от наносистем. Тем не менее, классическая физика предсказывает для микроустройств особенные свойства. Все это требует ряда совершенно новых подходов к проектированию, изготовлению и материалам МЭМС.

Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, газо- и гидродинамики – порознь или одновременно появляющихся в изделии. Что касается материалов, то несмотря на то, что монокристаллический кремний – традиционный материал микроэлектроники – имеет ряд уникальных свойств, необходимы другие материалы с новыми сочетаниями электро-физико-механических свойств.

Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последние по существу двумерны и механически статичны, то микросистемы – это реальные трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения. Эти новые свойства требуют развития новых технологических операций для 3-D формообразования.

Поскольку МЭМС развиваются на стыке множества отраслей науки и техники, требуется участие в работах специалистов самых разных областей знания, которые могли бы эффективно взаимодействовать.

В ходе перехода на вторую ступень независимости от среды обитания – зависимости от Земли человека будет интересовать и сам человек, его устройство с точки зрения создания промышленного аналога.

Бионизация как новая концепция мехатронизации позволит создать мехатронные системы на основе биоприводов (это не только мускульных приводов) – приводов с использованием достижений остеологии, синдесмологии, миологии и неврологии (нейробионики), то есть создать бионика.

Бионик – промышленный аналог человека. Подумайте – не робот, не раб, а промышленный аналог человека, с искусственным интеллектом на основе нейробионики. Его отличие от человека будет в отсутствии генотипа, и самое не желаемое – у него не будет природного (а для кого – то божественного) датчика – души, но зато можно говорить о том, что жизнь может самозарождаться.

Основной закон мехатронизации – максимально эффективное интеллектуализированное движение при минимальных затратах энергии.

Самый простой пример, если архитектор разработал дорожки движения людей к объекту, а люди идут по другому пути к объекту значит, архитектор не знает основного закона мехатронизации. Люди экономят свою энергию. Для этого архитектор должен рассчитать движения людского потока и принять правильное логистическое решение, обеспечив эффективность движения.

Многие современные системы являются мехатронными или используют элементы мехатроники, поэтому постепенно мехатроника охватывает все отрасли, все производства, проникает в другие науки, идет процесс мехатронизации. Мехатронизация охватывает и будет охватывать все и вся.