Александр Владимирович, так какие роботы требуются для работы в открытом космосе?
Александр Гребенщиков: Это на первых порах роботы для операционной поддержки внекорабельной деятельности космонавтов. То есть помощники. А затем роботы, которые будут "самостоятельно" выполнять обслуживание оборудования и узлов на внешних поверхностях станции. Например, визуальную инспекцию, технологические и ремонтные операции, обслуживание научных приборов и т.д.
Основные требования, которые предъявляются к киберкосмонавтам?
Александр Гребенщиков: Главное - обеспечить безопасность находящихся рядом людей и самого объекта - станции или корабля. То есть действия роботов не должны привести к аварийным или нештатным ситуациям. Второе - это эффективный функционал робота. И третье - его высокая надежность и стойкость к вредным факторам космоса.
А какие преимущества они открывают?
Александр Гребенщиков: Два неоспоримых: снижение рисков для жизни и здоровья экипажа при работе в открытом космосе, а также сокращение затрат. Могу сказать, что каждый час работы космонавтов за бортом обходится, по разным оценкам, от 2 до 4 млн долларов. Цифры говорят сами за себя. Кроме того, использование в будущем роботов для выполнения рутинных операций на обитаемых станциях позволит высвободить дополнительное время экипажа для отдыха или решения других актуальных задач.
Насколько я знаю, в России уже разработана первая робосистема, которая будет помогать космонавтам в открытом космосе? Или, точнее, прототип?
Александр Гребенщиков: Да, проектные разработки ведутся уже три года. По исходным данным ЦНИИмаша предприятие "Андроидная техника" изготовило наземный прототип космического робота-андроида SAR-401. В конце 2014 года в ЦПК им. Ю.А. Гагарина были проведены его функциональные испытания. Робот в дистанционном режиме под управлением оператора успешно выполнял типовые операции: переключал тумблеры, захватывал инструменты, работал с механическими замками, электрическими разъемами, инспектировал поверхность с помощью телекамер, подсвечивал рабочую зону космонавтов, опускал и поднимал забрало шлема скафандра, протирал стекла иллюминатора.
Позже были разработаны эскизные проекты робототехнической транспортно-манипуляционной системы для поддержки внекорабельной деятельности, а также антропоморфного робота "Андронавт". Разработаны макетные образцы, проведены их лабораторные испытания.
Как выглядит российский космический робонавт? Через какие испытания он должен пройти прежде чем отправиться на орбиту?
Александр Гребенщиков: Что касается робота SAR-401, то он напоминает человека. Но пока без ног: перемещать его вдоль космической станции целесообразнее с помощью транспортного манипулятора. Его "руки" и "пальцы" имеют такие же размеры и степени подвижности, как у человека, а управление осуществляется с помощью экзоскелета, надеваемого на оператора. Робот в точности повторяет все движения оператора, который дистанционно контролирует работу с помощью шлема виртуальной реальности в стереоизображении. Оно транслируется телекамерами, размещенными внутри "головы" робота.
Прежде чем отправиться на орбиту робот должен пройти целый ряд серьезных испытаний: термовакуумные, на вибропрочность и радиационную стойкость, электромагнитную совместимость и многие другие.
Единство формы и содержания тут важны? В каком направлении движется конструкторская мысль?
Александр Гребенщиков: Что касается андроидного робота, то несомненно. Конструктивно он должен быть полностью кинематически подобен человеку. Только тогда он сможет выполнять "тонкие" операции, свойственные моторике рук и пальцев человека. Кроме того, человекоподобный вид робота больше подходит и для выполнения функции психологической поддержки космонавтов.
Космические роботы-пауки, роботы-змеи, роботы-обезьяны и т.д. - это полет фантазии конструкторов? Или такие формы обусловлены необходимостью?
Александр Гребенщиков: В ряде случаев такие формы обусловлены необходимостью. Например, для лазанья по крутым и сыпучим склонам кратеров больше подходят паукообразные роботы. Они более устойчивы и могут выйти с помощью ног-манипуляторов даже из перевернутого положения. А вот для движения внутри узких лабиринтов или труб - змееобразные.
Какие материалы разрабатываются для защиты роботов от радиации, микрочастиц и микрометеоритов?
Александр Гребенщиков: Электронную "начинку" робота от микрочастиц защищает его корпус. Он изготавливается из традиционных космических материалов: алюминиевых сплавов, титана, композитов. В составе мехатронных и электронных систем робота будут использоваться радиационно-стойкие компоненты и электрорадиоизделия, а также применяться методы резервирования критичных узлов и систем.
Многие ученые утверждают: в космосе должны работать только автоматы, совершенно незачем рисковать человеком. Но вот один из космонавтов как-то рассказал: "При выходе в открытый космос требовалось что-то заменить. ЦУП говорит: "Возьми ключ на 14". Я взял, а когда подошел к системе, понял: ключ другой должен быть. Робот выполнил бы мое задание с ключом на 14? Нет. А я выполнил". Получается, роботы могут не все?
Александр Гребенщиков: Действительно, пока не могут быть созданы роботы с развитым искусственным интеллектом, полностью заменяющие человека во всех ситуациях в космосе. Да и не только там. Тем не менее во многих случаях роботам в космосе нет альтернативы. Это касается выполнения таких опасных и трудоемких работ, как, например, обслуживание в ближайшем будущем космических ядерных энергоустановок, выполнение строительно-монтажных работ по созданию лунных и напланетных баз, исследования астероидов и удаленных планет. Но при этом роботы будут управляться или контролироваться человеком. Поэтому сейчас ведутся активные работы в направлении совершенствования интерфейсов "робот-человек", а также адаптивного автономного поведения роботов, группового взаимодействия роботов между собой.
Какое космическое будущее ждет роботов-аватаров? Трудно ими управлять?
Александр Гребенщиков: Роботы-аватары, т.е. человекоподобные роботы (андроиды), управляемые человеком и копирующие его движения, будут в перспективе наиболее универсальными машинами для выполнения сложных операций на космических объектах в околоземном космосе, на Луне и других планетах. Методы управления андроидами сейчас активно развиваются. И управление андроидами, конечно же, требует определенной подготовки.
Почему ученые говорят, что аватары смогут работать только вблизи Земли. Например, на Луне или космических станциях? Из-за задержки в сигнале?
Александр Гребенщиков: Это общая проблема удаленного телеоператорного управления. При задержке сигналов обратной связи более двух секунд может произойти рассогласование в действиях человека-оператора и робота. А это срыв задания. Вблизи Земли (при условии прямой радиовидимости) задержки сигналов управления относительно невелики - менее 0,2 секунды.
Что касается Луны, том там суммарная задержка (туда и обратно) составляет уже более 2,5 секунды. Это вызывало, например, трудности в управлении советским луноходом. Поэтому аватарами на Луне лучше управлять с окололунной орбитальной станции или из гермоотсеков лунной базы. А также использовать методы супервизорного управления с элементами искусственного интеллекта, включая распознавание образов, автономную навигацию и принятие решений.
Что сейчас с российскими роботами SAR-401 и "Андронавт"? Когда они могут отправиться на работу в космос?
Александр Гребенщиков: На базе SAR-401 в рамках космического эксперимента "Теледроид" будет изготовлен летный образец, который в 2020 году доставят на МКС. На новом научно-энергетическом модуле российского сегмента он под управлением космонавта будет выполнять операции внекорабельной деятельности. Что касается "Андронавта", то эта система, скорее всего, будет развиваться в качестве средства психологической и информационной поддержки космонавта внутри орбитальной станции. Наподобие японского гуманоидного робота Kirobo.
А какие роботы сейчас находятся на МКС?
Александр Гребенщиков: На внешней поверхности МКС - космический манипулятор Canadarm2 с "насадкой" Dextre, японский манипулятор JEMRMS для обслуживания негерметичной платформы EF модуля "Кибо", два российских механических грузовых манипулятора "Стрела". Внутри МКС находятся американский робот-андроид Robonaut R2 и японский "робот-кукла" Kirobo.
Американцы пророчат большое будущее паукообразным роботам SpiderFab, которые займутся постройкой космических домов. Что это за система?
Александр Гребенщиков: SpiderFab будет использоваться для постройки космических сооружений. Тут две основные технологии. Прежде всего устройство под названием Trusselator, которое сейчас успешно проходит испытания в лаборатории: это своеобразный синтез 3D-принтера и вязальной машины. На одной стороне цилиндрического корпуса расположена катушка с нитью (в качестве сырья устройство использует углеволокно), а на другом находится экструдер, через который выдавливаются три основные трубы будущей фермы. Ферма усиливается путем обмотки нитью. В итоге устройство длиной около метра может создать ферму длиной в десятки метров.
Далее устройство под названием робот-Trusselator с помощью манипулятора и специального сварочного аппарата сможет соединять исходные фермы в большие сложные конструкции и покрывать их солнечными панелями, светоотражающей пленкой и выполнять другие операции в зависимости от целей миссии.
Вообще технология SpiderFab позволит перейти к изготовлению комических конструкций длиной в километры! В настоящее время конструкции, которые отправляются в космос, имеют огромный избыточный запас прочности для того, чтобы выдержать перегрузки при старте. Обычно в космосе такие сверхпрочные конструкции не нужны, зато нужен очень большой размер, например для телескопов-интерферометров. Аппараты SpiderFab позволят строить именно такие конструкции: легкие, крупногабаритные и с низкой стоимостью жизненного цикла.
Надо сказать, что идея создания в космосе крупногабаритных ферм большой длины прорабатывалась советскими учеными еще в конце 80-х годов прошлого века. Для этого в ЦНИИмаш предполагалось использовать фермосборочный агрегат на базе космического аппарата с двумя программными манипуляторами, который собирал бы в программном режиме ферму из типовых углепластиковых стержней, стыкуя их к узловым элементам. Стержни и элементы доставались из кассетного хранилища на борту аппарата. Каждый стержень снабжен с обоих концов специально разработанными магнитомеханическими самозатягивающимися безлюфтовыми замками. Теми же манипуляторами после сборки каждой секции вся ферма по роликовым направляющим задвигалась назад, внутрь полого фермосборочного агрегата, освобождая пространство для наращивания следующей секции фермы.
Были изготовлены магнитомеханические замки, стержневые элементы, узлы, и отработаны на масштабных макетах процессы роботизированной сборки секций фермы с помощью советских промышленных роботов РМ-01. Как видим, технология SpiderFab - это фактически возрождение известной идеи на новом технологическом уровне с использованием 3D-печати.
А что за космическую роботизированную перчатку разработали американцы? У нас что-то подобное есть?
Александр Гребенщиков: Перчатка RoboGlove предназначалась для увеличения силы захвата человека в космосе. При ее создании использовались технологии, применяемые в разработке человекоподобного робота Robonaut. НАСА заявляло, что при использовании такой перчатки можно снизить нагрузку на мышцы человека более чем в два раза. В России подобные перчатки в отдельности не разрабатывались, а в проводимых исследованиях внимание уделялось силовому экзоскелету.
Недавно видела видео: будущий уборщик космического мусора, разрабатываемый ЕКА, учится ловить дроны. Интересно. А что предлагают для решения этой проблемы российские робототехники?
Александр Гребенщиков: В России сейчас проводятся научно-исследовательские работы, посвященные проблемам обслуживания космических объектов, включая проблему утилизации космического мусора. Ведутся проектно-поисковые исследования, в том числе по разработке космических аппаратов с манипуляторами для захвата отработавших спутников, их фрагментов, и последующего увода их на специальную так называемую орбиту захоронения или в атмосферу Земли, где они будут сгорать при падении.
Робот по ремонту спутников - это фантастика или реальность?
Александр Гребенщиков: Сегодня это уже не фантастика, но пока еще и не реальность. И за рубежом, и у нас идут научно-исследовательские работы, направленные на решение этой актуальной проблемы. Ремонт в космосе дорогостоящих спутников позволит увеличить срок их активного существования, сократив тем самым затраты на поддержание необходимого состава спутниковых группировок. Но для этого надо менять идеологию создания самих спутников и космических аппаратов, делать их ремонтопригодными хотя бы на уровне замены типовых унифицированных элементов и блоков. И эта задача должна решаться конструкторами новых перспективных спутников и космических аппаратов.
Есть ли в планах российских конструкторов разработка новых роверов для Марса? Скажем, американцы тут делают ставку на "Валькирии", которые, как утверждается, по своим возможностям гораздо более продвинуты, чем "Кьюриосити". А что у нас?
Александр Гребенщиков: В России разработан проектный облик универсальной самоходной платформы "Робот-геолог". Она будет оснащена манипулятором, каротажно-буровой установкой и всем комплексом научных приборов, которые необходимы для проведения геологических и геофизических исследований на поверхности Луны и Марса. Включая сейморазведку с помощью серии взрывов, забор и доставку стратифицированных колонок грунта с глубины до 3 м на маршруте длиной до 400 км и др. Разработка позволяет вплотную перейти к опытно-конструкторским работам по созданию такого ровера, по своему функционалу не уступающего "Кьюриосити".
Гребенщиков Александр Владимирович, родился в 1958 году. Образование высшее, в 1981 году окончил радиотехнический факультет Московского энергетического института. Космической робототехникой профессионально занимается с 1986 года, работая в головном научном институте Роскосмоса ФГУП ЦНИИмаш. Начальник лаборатории космической робототехники ФГУП ЦНИИмаш, эксперт Экспертного совета Национального центра развития технологий и базовых элементов робототехники Фонда Перспективных Исследований Российской Федерации.