НИКОЛАЙ ВОРОНЦОВ, ВЫПУСКАЮЩИЙ РЕДАКТОР НАУЧНОГО ПОРТАЛА N+1

Экологически чистые источники энергии на примере конкретных инженерных решений в робототехнике


Что сегодня умеют роботы и откуда брать чистую «зеленую» энергию? Альтернативные способы решения проблемы и «подводные камни» применения этих технологий.
Поделитесь лекцией в соцсетях:
Начнем с грустного: по состоянию на 2016 год за последние 800 тысяч лет был замерен самый высокий уровень содержания углекислого газа в атмосфере. И, конечно, мы, люди, приложили к этому свою руку. За последние лет двести — довольно ощутимо.

Что мы с этим можем сделать теперь? Можем стараться снизить углеродный след разных источников энергии, которые мы используем, и изменить методы их применения. Поэтому я вам расскажу о том, какие источники энергии, какие двигательные установки в робототехнике могут нам позволить снизить углеродный след и выбросы.

Все так или иначе сводится к электричеству, почти в любом проекте сегодня задействован аккумулятор. С аккумуляторами все ясно, они универсальные, они действительно понятные, проверенные, мы знаем, куда их поставить, что мы от них хотим и зачем. Проблема в том, что они тяжелые и горят, особенно те, которые у нас в смартфонах. Поэтому аккумуляторы не всегда подходят.

Мой любимый пример — робопчелы. Размером примерно в монетку 50 копеек эти штуки летают, плавают и даже могут разлагать воду на кислород и водород и взрывать, чтобы оторваться от поверхности воды. К сожалению, например, этим малышам аккумуляторы никак не подходят, поэтому они пока питаются от проводов. Но, возможно, в будущем у них все будет получше.

Солнечная энергия и вполне реальная пыль
Если аккумулятор не походит, необходим какой-то другой источник энергии, например, солнечные батареи. С ними все предельно ясно: нам понадобится большая площадь и солнце, и у нас будет столько энергии, сколько нужно для любого проекта любой автономности — в открытом космосе, на поверхности другой планеты или у себя дома крыше. Недостаток солнечных батарей в том, что они сильно и быстро загрязняются, а пыльная солнечная батарея перестает работать. Хорошо быть в такой ситуации стратосферным китайским беспилотником: он летает несколько месяцев, с ним все в порядке, он мало весит весит, и вся большая площадь его крыла занята солнечными батареями.

Но есть ситуации и менее удачные: несчастный робот «Оппортьюнити», предтеча «Кьюриосити». От загрязнений он заряжался на 30% от того, сколько должен, и все было бы совсем плохо, если бы на Марсе не дул ветер. Ветер подул, пыль снесло, и через месяц солнечные батареи очистились до вменяемого состояния. В общем, в «Кьюриосити» это уже было предусмотрено.

Один из моих любимых примеров — стрекоза-киборг. Кстати, она уже даже умеет шевелить лапками и летать. Вся энергия, которую она получает, исходит от солнечных батарей, закрепленных на крыльях. Это очень круто. Не круто пока то, что ею не умеют управлять, и она летает только по прямой совсем недолго, но это вопрос времени. Главное: под прямым солнечным светом это животное вполне может лететь без громоздкого аккумулятора.


Роботы, управляемые магнитным полем
Немного экзотики. Роботы, которые управляются магнитным полем, сейчас в основном применяются в медицине. Для того чтобы управлять перемещением робота с помощью магнитного поля, нужна парочка достаточно мощных магнитных катушек, а желательно томограф. Главный плюс управляемых таким способом роботов — им вообще не нужен собственный источник энергии, это железка, которую вы дергаете магнитным полем в ту сторону, в которую нужно. Минусы: первый — нужен огромный аппарат МРТ, для того чтобы туда поместить человека, второй — очень сложно контролируемо перемещать робота в магнитном поле.

Пример простого медицинского робота: высушенный кусок кишечника свиньи с надрезами в нужном месте и с магнитиком в центре. Это очень простая штука, которую вы заглатываете, например, если вы проглотили батарейку, чтобы ничего плохого не произошло (на самом деле, скорее всего, ничего плохого не произойдет, если вы съедите батарейку, но, пожалуйста, не проверяйте это на практике). Так вот, вы проглатываете эту пилюлю в ледяной капсуле, она растворяется в желудке, разворачивается и дальше с помощью аппарата МРТ за магнитик перемещается в нужное место, обволакивает батарейку и потом выходит из организма естественным путем.

Другой пример. Практически та же самая технология, но вместо свиного кишечника используются небольшие куски полимерной пленки. Этот робот может передвигаться по ровной поверхности, плавать по воде и растворяться в ацетоне, когда он перестал быть вам нужным. Вот еще пример от китайцев: металлическая капсула с лекарством, которая плывет в жидкости по вязкости, соответствующей крови. Если вам стало плохо, и нужно скорее доставить лекарство в нужную точку организма, а не просто «вбросить» внутрь, то вы берете такую капсулу с лекарством, кладете человека в МРТ и перемещаете капсулу в нужное место, где точечно высвобождается лекарство. Это удобно, если, например, лекарство токсичное.

Есть пример управления сложным устройством с помощью магнитного поля. Как я уже говорил, очень тяжело с помощью магнитного поля заставить двигаться что-то сложное — вариантов движения не очень много: дергать или нет. Поэтому здесь инженеры компании «Филлипс» поступили оригинально: они сделали из винтов линейные актуаторы, которые закручиваются или откручиваются и, соответственно, тянут или ослабляют трос, а это уже, в свою очередь, приводит в движение куклу.

Экзотические источники энергии
Теперь совсем экзотика. Микробные топливные элементы и солнечные батареи на бактериях. Это очень интересно, у них есть большие перспективы применения. Микробный топливный элемент работает примерно так: вы берете грязную воду, скармливаете микробному топливному элементу, микробы съедают то, что есть в воде, и вырабатывают электричество. Это очень удобно — вы можете построить робота сами. Он выглядит немного по-дурацки: четыре буйка, плавающая камера и два весла. Робот загребает веслами вперед, глотает немного воды, переваривает ее и вырабатывает немного электричества. Размер такого робота со спичечный коробок. Ему хватает электричества, чтобы дальше открыть створки, сделать еще десять гребков вперед и набрать новой грязной воды. Вы пускаете условную кучу таких роботов в грязный водоем, и они сами по нему плавают, совершенно без вашего вмешательства, пока у них не отвалятся весла или пока не закончится еда для микробного топливного элемента.

Солнечные батареи на бактериях. Здесь нет никакой магии: есть бактерии, которые под воздействием солнечного света могут разлагать воду. Вы поливаете их водой и получаете электричество. Это, возможно, наше будущее, но это не точно.

Лазерный ветер. Например, Хокинг с Миллером предлагали использовать лазерный ветер для исследования глубокого космоса. Мы собираем много маленьких беспилотников на огромных парусах, берем кучу лазеров с Земли, направляем, фокусируем на один парус, и давление фотонов уносит его в дальние дали, очень быстро разгоняя до очень больших скоростей. Это все существует только в теории и, должно быть, стоит на практике очень дорого. Нужно много лазеров и мощную систему отслеживания. Представьте: возьмем несколько тысяч таких штук и запустим, и сколько-нибудь долетит до Альфы Центавры, например, или не долетит — достаточно затратная вещь.

Сила ветра
Ветер. Мой любимый способ применения ветра — это прямая механическая энергия. Я немного скучаю по тем временам, когда у нас были мельницы, было просто и понятно: крутится и крутится, никаких генераторов, ничего не нужно. Конечно, об этом иногда умалчивают: в ветрогенераторах погибает много птиц. Но мы с этим работаем, в том числе, ставим специальные шумящие насадки, которые отпугивают птиц криками хищных птиц. На сегодня главная проблема с ветрогенераторами состоит в том, что они крутятся. С солнечными батареями все гораздо проще — они лежат на месте и вырабатывают энергию, а ветрогенераторы приходится постоянно ремонтировать. И это пока все еще дорогое удовольствие, но не настолько дорогое, чтобы его не развивать. Например, в Нидерландах с января этого года все электропоезда без исключения ходят на энергии ветра.

В Шотландии есть плавучая ветроэлектростанция, где под каждым из ветряков стоит 70-метровый буй, на котором они плавают. Такой подход решает часть проблем, в том числе, с птицами, потому что в паре десятков километров от берега их гораздо меньше. Замечательный пример применения энергии ветра показан в художественных проектах Тео Янсона. Янсон — кинетический скульптор, с 80-х годов из всякого мусора он конструирует самоходные машины, которые на энергии ветра гуляют по пляжам.

И другие источники энергии
Пневматика — еще большая экзотика, чем микробные топливные элементы. Роботов на пневматике уже много лет создают в исследовательских лабораториях, но к ним всегда нужно очень много трубок, потому что откуда-то нужно получать давление для работы робота. Поэтому за кадром остается огромный компрессор, который, предположим, работает на электричестве из возобновляемых источников энергии. К сожалению, такие штуки очень шумные, но применяются в некоторых очень специфических условиях.

Вот пример: пневматический мягкий осьминог. Вся логика его передвижения реализована с помощью методов микрофлюидики. Или второй пример — натуральные пневматические колеса, внутри каждого стоит маленький пневматический храповик. Он попеременно передает в каждую камеру сжатый воздух в нужной последовательности, и колесо катится. Чем это лучше обычных колесных шасси? Тем, что эта штуковина практически неубиваема. Как только мы решим проблему огромных компрессоров за кадром, пневматика сразу же станет гораздо полезнее в робототехнике. По крайней мере, хотелось бы в это верить.

Водородные источники энергии. С водородом все интересно: он горит, на выходе мы получаем воду, это экологично и удобно. В принципе, водород был бы всем хорош, если бы его не было дорого получать, и если бы он не был очень летучим. Если вдруг мы все захотим пересесть на водородные автомобили и начнем ездить, условно, заливая водород в бак, у нас возникнет большая проблема: отработанное топливо не будет полностью возвращаться в виде воды, а часть водорода будет просто улетать за пределы атмосферы навсегда. И кто знает, через сотни или тысячи лет мы можем столкнуться с тем, что у нас кончилась вода как в «Кин-дза-дзе». Но зато есть, например, дрон на водородных топливных элементах, который может летать 20 часов без всяких проводов.

Есть также синтетическое дизельное топливо. Его называют «зеленым источником энергии», потому что синтетический дизель получается из уже существующего в окружающей среде углеводорода. На выходе образуется топливо с нулевым углеродным следом. Это классно, потому что мы сожгли дизель, выделился углерод, мы его взяли, сделали из него еще дизель и опять сожгли. Это было бы хорошим решением, но все равно это дизельное топливо. В реальности в чистом виде его почти не используют для того, им разбавляют существующий грязный дизель, чтобы он проходил по нормам использования в каких-нибудь цивилизованных странах. Но если бы мы ездили на чистом синтетическом дизеле, конечно, все было бы проще.

Другие лекции сессии «Энергия Сибири»
© 2017 En+ Group Ltd.
Образовательный проект. Проект группы компании En+ Group Ltd.