Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Источники вдохновения для такого вопроса не ограничивались только наземными животными. Люди, к примеру, давно поняли, что рыбы куда более эффективны и маневренны, чем созданные человеком лодки. Рыба тратит меньше энергии на движение в толще воды, она может, преследуя добычу, достигать невероятных взрывных ускорений, а может, убегая от хищника, поворачивать легко и резко. Летом 1989 г., болтая с коллегами в Океанографическом институте в Вудс-Хоуле на полуострове Кейп-Код, братья Майкл и Джордж Триантафиллу поняли, что существует огромная потребность в эффективных роботах для исследования и освоения морских глубин. Принципы движения рыб, подумали они, могут дать толчок этим разработкам. Изучив множество рыб, от золотых рыбок до акул, братья обнаружили, что существует оптимальный метод взмахов хвоста, обеспечивающий поступательное движение. Опираясь на свои наблюдения, они сконструировали механического голубого тунца 125 cм длиной. Оказалось, что открытые биологические принципы прекрасно работают и для их механической модели. Замечательно, что в заключительных строках опубликованной ими статьи братья Триантафиллу поднимают некоторые глубокие вопросы о плавании рыб:

Хотя и дельфин, и тунец плавают быстро и изгибают при этом свои тела похожим образом, в деталях плавания между ними существует значительная разница. Являются ли механизмы плавания обоих оптимальными решениями? Если кто-то из них лучше другого, то ограничивается ли это превосходство лишь определенными ситуациями? И что еще важнее для нас, существует ли конструкция лучше их обоих для плавания?^{12}

Иначе говоря, являются ли стили плавания дельфина и тунца равно эффективными и если да, то как мы можем выбрать один из них в ущерб другому? Вопрос этот представляет собой, косвенным образом, одну из форм парадокса с буридановым ослом. Это не вопрос для реальных обитателей водных глубин, чьи методы плавания выкованы для них эволюцией, но для ученых-робототехников это достаточно серьезная проблема.

Когда роботизированный тунец выходил в свое первое плавание, исследователи Кейсовского университета работали над усовершенствованием движения наземного робота на базе биологических принципов. Они сконструировали несколько шестиногих роботов-насекомых, основываясь на анатомии и неврологии тараканов и палочников и стараясь позаимствовать для конструкции как можно больше из биологии. Исследователи отмечали: «Мы склонны ошибаться в сторону включения большего количества биологических черт, чем представляется на первый взгляд совершенно необходимым. Причина такой стратегии проста и понятна: она почти всегда оправдывается. Хотя путь, избранный природой, вполне может не быть единственным и даже лучшим, мы снова и снова находим неожиданные преимущества в том, что уделяем так много внимания конструкции биологических систем»^{13}.

Роботы-насекомые конструировались с учетом уроков, полученных учеными при исследовании рефлексов в конце XIX — начале XX в. Каждая конечность была снабжена, по существу, проприоцептивными рефлексами: искусственные нейроны отправляли своему пейсмейкерному нейрону информацию об ориентации конечности — вперед или назад. Более того, различные пейсмейкерные нейроны ног взаимно тормозили друг друга, как это делают нервы мышц-антагонистов у живых существ. Это торможение улучшало координацию конечностей, не давая соседним ногам шагать одновременно. В систему роботов было встроено и множество других рефлексов. Один из них назывался «рефлексом подъема»: если нога, движущаяся вперед, встречала препятствие, она отодвигалась, поднималась выше и вновь пробовала сделать шаг. Также использовался «рефлекс поиска»: если нога в конце «шага» не находила стабильной опоры, она должна была искать рядом, пока не найдет.

В 1994 г. исследователи испытали робота-палочника длиной около 50 см и высотой около 25 см на неровной поверхности. Ландшафт представлял собой большой кусок упаковочного пенополистирола с перепадами высот, достигавшими 11 см. Пенополистирол был хорош для испытаний, потому что это мягкий материал, способный к тому же гнуться и пружинить, образуя нестабильную поверхность, сходную с той, на которой споткнулся «Данте II». Робот справился с задачей достойно. Он смог интегрировать и применить рефлексы подъема и поиска в комплексе и передвигался по пересеченной местности со скоростью 2 см/с^{14}.