Барбара Маццолаи, ассоциированный директор по робототехнике и руководитель лаборатории биовдохновленной мягкой робототехники в Итальянском институте технологии в Генуе, отстаивает новую область исследований под названием «устойчивая робототехника». Цель подхода – улучшить взаимоотношения между природой, человечеством и технологией. В манифесте, опубликованном в июле в журнале Nature Machine Intelligence, Маццолаи и ее коллеги описали видение проектирования роботов, которое ставит устойчивость в центр разработки. «Нам нужно сократить след нашей технологии», – говорит она. «Дело действительно в том, чтобы думать иначе, открывать новые возможности для робототехники и для общества». Путь Маццолаи в науку начался с детства на побережье Тусканы близ портового города Ливорно. Ее отец был государственным инспектором по здравоохранению и профессиональным микологом; семья часто исследовала леса и изучала местные грибы и растения. Хотя первоначально Маццолаи рассматривала карьеру художницы, в 1987 году она поступила в Пизанский университет на биологию, привлеченная особенно морской биологией. К 1995 году она получила степень магистра по биологии. Вскоре после этого, еще перед завершением образования, она заняла должность научного сотрудника в Институте биофизики Итальянского национального совета по исследованиям, где изучала циклы тяжелых металлов, таких как ртуть, через живые и неживые части окружающей среды. Это включало сбор и анализ образцов из воды, почвы, овощей и даже человеческих организмов для понимания воздействия этих металлов на здоровье и окружающую среду. Параллельно с исследовательской работой Маццолаи получила в 1998 году еще одну степень магистра в области экоменеджмента и схем аудита в Scuola Superiore Sant'Anna в Пизе. В 1999 году она узнала, что университет набирает биологов для разработки новых устройств экологического мониторинга. Маццолаи подала заявку и начала работать научным ассистентом под руководством известного биороботика Паоло Дарио, сначала разрабатывая датчики, затем роботов для мониторинга воздуха, воды и почвы. Даже до начала докторской программы она была в 2004 году повышена до ассистента профессора и вскоре сделала свой первый шаг в биовдохновленную робототехнику. В сотрудничестве с коллегами из Sant'Anna она помогла разработать мягкого робота, вдохновленного осьминогом. «Мы предложили его как парадигму для развития идеи мягкой робототехники: продемонстрировать, что роботы могут быть мягкими, но при этом применять сильную силу к окружающей среде, как животное», – вспоминает она.
В 2007 году Маццолаи поступила в докторантуру по микросистемной инженерии в Университет Тор Вергата в Риме, совмещая учебу с работой в Sant'Anna. Она уже активно использовала методы микрофабрикации для разработки датчиков своих роботов и хотела продвинуть эту часть поля вперед. Хотя роботы часто оснащаются датчиками восприятия, такими как тактильные или проприоцептивные датчики, эти системы обычно сосредоточены на понимании положения робота в окружающей среде. «Однако мало роботов, которые интегрируют физические или химические датчики для реального понимания среды, в которой они движутся», – отмечает Маццолаи. В 2009 году она была назначена руководителем команды в Центре микро-биороботики Итальянского института технологии, где продолжила работу по развивающейся области биовдохновленной робототехники. Через два года она завершила докторскую диссертацию и была повышена до директора центра. Около того же времени Маццолаи заинтересовалась использованием растений как модели для новых видов роботов, расширяя биовдохновение за пределы животных. Особенно ее привлекла способность корней эффективно исследовать подземную среду, и она представила себе машины с такой же ловкостью, которые могли бы иметь применение как в экологическом моделировании, так и в точном земледелии. Когда она впервые предложила идею, коллеги были несколько скептичны в отношении роботов, основанных на, казалось бы, статичных организмах. Но на самом деле, говорит Маццолаи, растения постоянно движутся через процесс, известный как неограниченный рост. «Они действительно растут всю свою жизнь», – объясняет она. «Они адаптируют свою морфологию, свое поведение к внешней среде; они восстанавливаются, они чувствуют, они общаются».
Попытка имитировать систему, работающую по столь отличным от обычной робототехники принципам, требовала серьезного размышления. Маццолаи говорит, что работа в биовдохновленной робототехнике иногда требует наличия «двух отдельных мозгов» – одного биолога и одного инженера. Процесс часто включает глубокое изучение целевого организма для понимания лежащих в основе принципов, которые формируют его функционирование, прежде чем попытаться создать робота, способного их имитировать. «Это не копия естественных организмов», – подчеркивает Маццолаи, потому что живой организм как сложен для воспроизведения, так и преследует иные цели. В случае растительных корней то, что делает их столь эффективными при исследовании почвы, – это то, что они снижают трение, растя только на очень тонком кончике структуры, в то время как более толстое основание корня остается неподвижным. Это значительно снижает количество энергии, необходимой для проталкивания через землю, по сравнению с обычным буром, который должен толкать всю структуру сверху. Для воплощения этого принципа в робота ее команда разработала миниатюризированный трехмерный принтер, расположенный на кончике машины, который подает термопластический филамент через нагретое сопло для построения змееподобного тела позади него. Это позволяет роботу эффективно проталкиваться через почву. Кончик также содержит датчики, которые позволяют ему избегать препятствий и обнаруживать поблизости питательные вещества или воду. После всей своей карьеры, заимствуя вдохновение у природы, Маццолаи теперь стремится отдать должное. Многие современные технологии, включая пластики и автомобильные батареи, разрабатывались с мало размышлений о том, как они повлияют на окружающую среду в конце их жизненного цикла, говорит она. Маццолаи хочет гарантировать, что робототехника не пойдет по тому же пути. Это вдохновение для того, что она и коллеги теперь называют «устойчивой робототехникой». Подход имеет три центральных столпа: обеспечение минимального воздействия роботов на окружающую среду; их доступность для людей из разных стран и всех социально-экономических слоев; и их «симбиотичность», обеспечивающая выгоды как людям, так и природе. Более конкретно, Маццолаи хотела бы включить концепцию жизненного цикла в дизайн роботов, чтобы в конце их полезной жизни эти машины могли быть переиспользованы, переработаны или даже биоразложены. Хотя это может звучать амбициозно, она уверена, что все ингредиенты для того, чтобы это стало реальностью, уже на месте. И это видение, которое она уверена, вдохновит будущих робототехников. «Есть молодые люди, которые действительно хотят работать в этой области, потому что это будущее, их будущее», – говорит она. Сталкиваясь с угрозой постоянного экологического ущерба, «они хотят разработать что-то, что может помочь».