3.2. ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ И НАУЧНАЯ РОБОТОТЕХНИКА

            В данном параграфе рассматриваются аспекты развития методологии научной робототехники во взаимосвязи с инструментальным подходом и появлением виртуальной реальности. Особое внимание уделяется вопросам, связанным c моделированием и виртуальным представлением различных технических объектов с точки зрения их технической реализации на основе робототехнических систем. Обсуждаются возможные границы виртуалистики в онтологическом и методологическом планах.

Проблему становления научной теории целесообразно связать с концепцией конструирования. Дело в том, что исследователь всегда имеет дело с показаниями приборов, собственно говоря, он сначала конструирует прибор – некий артефакт, который согласно инструментальному подходу Л.В. Выготского1, опосредует взаимосвязь между субъектом и объектом. Инструмент преобразует не только объект, но и в известной мере субъекта. Напомним чрезвычайно простой, но очень впечатляющий пример самого элементарного инструмента - узелка на платке, заставляющего человека вспомнить о намеченном деле. Нас интересует процесс формирования теории как инструмента, который целесообразно связать с мотивацией деятельности отдельного ученого, а также некоторого научного сообщества. Отметим, что развивая подход Л.С. Выготского, А.Н. Леонтьев указывал: «…в психологии сложилась следующая альтернатива: либо сохранить двучленную схему: воздействие объекта – изменение текущих состояний субъекта…, либо исходить из трехчленной схемы, включающей среднее звено… - деятельность субъекта и соответственно ее условия, цели и средства…»2 .

Проблема создания научной теории живо обсуждалась с различных позиций. Так, Л.А. Микешина отмечала: «Долгое время в отечественной теории познания как бы не замечали,… что познание – не только отражение, но и репрезентация, конвенция, интерпретация.»3. Х. Ортега-и-Гассет высказывал мнение, что наука – это интерпретация4, а Р. Коллинз заявлял: «Математическая реальность столь реальна именно потому, что она целиком социально сконструирована». Исследуя пути формирования математического знания, В.И. Аршинов и В.Э. Войцехович делали вывод: «Математическое становление и является, в сущности, процессом становления объекта»5.

В большей степени, чем в других областях науки, аспект конструирования знания выступает в науках технических. Здесь нужно сначала изобрести, сконструировать объект, а затем приступить к его исследованию, на это указывал еще И. Кант6. Ученый, работающий, например, в сфере робототехники, при создании теории должен руководствоваться, по крайней мере, двумя противоположными критериями – это простота и соответствие (вернее полнота соответствия). Теория, как инструмент не только познания, но и синтеза объекта, должна быть эффективна. При этом ход развития науки, накопление знаний постоянно опровергает те парадигмальные предпосылки, которые легли в основу изысканий, давших новый результат.

А. Эйнштейн неоднократно отмечал, что теория не есть формальное обобщение опытных данных: «…все понятия, возникающие в процессе нашего мышления и в наших словесных выражениях, с чисто логической точки зрения являются свободными творениями разума, которые нельзя получить из ощущений». Для обоснования утверждения, что теория вынуждена все время опровергать сама себя, Эйнштейн ссылался на Б. Рассела: «… наука воюет сама с собой: стремясь изо всех сил быть объективной, она против своей воли оказывается погруженной в субъективизм»7. С указанной точки зрения рассмотрим методологические положения робототехники и составляющих ее наук – теории механизмов и кибернетики.

Отмечавшееся выше соотношение между анализом и синтезом, которые противопоставляются друг другу, всегда предполагает, что в какой-то степени опровергнутые путем анализа имеющихся робототехнических устройств методы синтеза неизбежно будут усовершенствованы. Далее они станут нести в себе элементы предыдущего этапа своего развития. Упомянем о таком аспекте теории структурного синтеза механизмов, как рассмотрение кинематических цепей с избыточными связями, не препятствующими конечным перемещениям, несмотря на несоответствие структурной формуле.

Одним из таких механизмов является механизм Беннета8, который должен быть, согласно структурной формуле А.П. Малышева, дважды статически неопределимой фермой. В данном случае упомянутая формула выступает как инструмент анализа, так как она позволяет найти возможное число степеней свободы (затем эта же формула может использоваться и для синтеза). При подробном исследовании кинематической цепи Беннета, проведенном на основе винтового исчисления или сферической тригонометрии9, удалось выявить некоторые общие правила синтеза механизмов с избыточными связями (тем самым так или иначе был опровергнут алгоритм, использованный Беннетом для синтеза своего механизма). На базе сформированных подходов к синтезу таких кинематических цепей с избыточными связями были получены многочисленные схемы, достаточно эффективно решающие некоторые задачи пространственного перемещения различных объектов. Следует упомянуть о механизмах Гольдберга и Бейкера10, являющихся своего рода комбинациями механизма Беннета (интересно, что в указанных кинематических цепях, имеющих избыточные связи, объединены по два и более механизмов Беннета, но общее звено составляющих кинематических цепей, как правило, отброшено). П.Г.Мудровым11 были впоследствии разработаны многочисленные схемы подобного рода, предназначенные для решения разных технических задач (имеет место, в частности, устройство для воспроизведения траектории машущего крыла).

Размышляя о примерах подобного рода, невольно задаешься вопросом о взаимоотношении между критериями простоты и полноты теории, об ее эффективности как инструмента познания, о степени соответствия между применяемой моделью и описываемым ею тем или иным техническим устройством. Понятно, что модель “загрубляет” свойства реального объекта и подчас отвергается, входя в противоречие с опытом или экспериментом. Например, можно сослаться на несоответствие линейной теории колебаний и свойств нелинейных осцилляторов, это обстоятельство обусловило появление новых концепций,12 (которые тем не менее во многом сохраняют черты отвергаемых ими моделей: как правило, в линейную схему решения вводится “малый параметр”, соответствующий рассматриваемым нелинейностям).

Противоречия между критериями простоты и полноты соответствия обусловливают петлеобразный характер развития различных методов робототехники. К примеру, дифференциальное и интегральное исчисления, позволившие решить многие технические задачи, в каком-то смысле преуменьшили значение алгебраических алгоритмов и элементарных функций, но внедрение компьютерной техники привело к бурному развитию численных методов, представляющих дифференциальные уравнения в виде алгебраических выражений.

Соотношение между результатами исследований единичного механизма и целой серии этих объектов приводит к тому, что статистические методики вытесняют алгоритмы обычного анализа. Так, строя закон распределения случайной величины, характеризующей какой-либо параметр механического устройства (как правило, согласно закону больших чисел, утверждающему, что величина, зависящая от многих случайных факторов, подвержена нормальному распределению Гаусса, имеет место именно такое распределение), мы должны воспользоваться достаточно сложным интегральным выражением. Но, найдя так называемое математическое ожидание, характеризующее наиболее вероятное значение величины, и дисперсию, связанную с отклонениями от указанного значения, мы вновь приходим к алгебраическим выражениям и обычным функциям, описывающим всю серию механизмов.

Как упоминалось, все большее значение в робототехнике приобретает винтовое исчисление. Поэтому уместно привести некоторые моменты становления этой теории при учете наличия двух противоположных критериев ее оценки. Как известно, один из создателей аналитической механики Лагранж гордился тем, что в его сочинении полностью отсутствовали рисунки - тем самым метод Декарта, рассматривающий положения тел на основе их координат, получил наиболее полное воплощение. Безусловно подход Лагранжа и Гамильтона придали механике законченную и “академическую” форму и позволили получить ряд фундаментальных принципов (принцип наименьшего действия и др.). Однако данный метод имел и свои недостатки, так как механика неразрывно связана с геометрией, и при утрате образности существует опасность пройти мимо существенных характеристик тех или иных объектов.

В качестве примера приведем ситуацию, сложившуюся в некоторых научных школах, функционирующих в области робототехники и рассматривающих эти устройства как произвольные системы твердых тел. Решая задачи управления, представители данных школ записывают формальные системы уравнений, при которых задача о положениях (представляющая геометрическую проблему) сводится к поиску минимума некоторого функционала. Это подчас приводит к чрезмерному усложнению задачи и потере некоторых решений. В то же время геометрические методы (винтовые, векторные и матричные) в ряде случаев позволяют не только эффективно решить задачу, но и выявить некоторые качественные характеристики, связанные например с положениями бифуркации.

Винт, по отношению к вектору, представляет конструкт более высокого порядка. Известно, что большинство параметров механики, связанных с силами и движением, описываются с помощью векторов (например сила, действующая на материальную точку, радиус-вектор этой точки, ее скорость и ускорение - это векторы). Векторы можно складывать и вычитать, перемножать, интегрировать, дифференцировать. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что упомянутые векторы имеют несколько разные свойства. Так, сила или угловая скорость это вектор скользящий, пара сил или линейная скорость - вектор свободный, радиус-вектор точки имеет установленное начало, расположенное в центре координат. Данный факт свидетельствует о том, что эти векторы характеризуют различные физические параметры, и это отражается в некотором различии математического описания.

Но какая бы система тел ни действовала на тело, всегда путем геометрического суммирования ее можно свести к одной равнодействующей и паре сил - мы приходим к силовому винту. С другой стороны, сколь сложное движение ни совершало бы твердое тело, всегда его можно привести к кинематическому винту - совокупности линейного перемещения вдоль некоторой оси и вращения вокруг нее. Возник вопрос, нельзя ли (сообразно с критерием простоты) объединить все указанные геометрические образы в один обобщенный образ и таким образом повысить эффективность теории как инструмента.

В первой половине XIX века работы Пуансо и Мебиуса заложили основу винтового метода. В 1876 году английский математик Роберт Болл в Кембридже издал свой трактат о теории винтов, дополненный и переизданный затем в 1900 году13. Примечателен рассказ Р. Болла “Притча о винтах”, в котором идет речь о некоей технической комиссии, рассматривавшей возможные движения механического устройства с несколькими степенями свободы. В комиссии присутствовали Председатель, Мистер Здравый Смысл, Мистер Картезиан  (последователь метода Декарта), а также Мистер Геликс, оперирующий набором винтов различного шага.

Мистер Картезиан смог отыскать лишь несколько комбинаций координат векторов поступательного и вращательного движений, что не характеризовало движение по существу. Мистер Геликс смог решить задачу, найдя оси винтовых движений с некоторыми определенными шагами, причем возможны были также комбинации этих движений. Итак, используя винтовой метод при разработке методологического инструментария, исследователь поднимается на более высокий уровень обобщения, тем самым развивая векторный подход.

Затем метод винтов получил дальнейшее развитие. В 1887 году ирландским математиком У. Клиффордом был предложен множитель (квадрат которого равен нулю), с помощью которого скользящий вектор формально преобразуется в свободный, сила обращается в момент пары сил, а угловая скорость в линейную. Используя множитель Клиффорда, А.П. Котельников и Э. Штуди в конце XIX века сформулировали «принцип перенесения». Согласно этому принципу все операции векторного исчисления переносятся на винты, представляемые в виде формальных сумм главной (векторной) и моментной частей – при этом в полной мере сформировалось собственно винтовое исчисление. Однако отметим, что винтовое исчисление не полностью перечеркивает векторное, неся в себе его черты.

Казалось бы, достигнутый уровень эффективности применения винтового исчисления должен обеспечить безусловный приоритет этого подхода, этого инструмента. Но несмотря на преимущества указанного исчисления, многие исследователи даже не знают о его существовании, в то время как векторы используются повсеместно – смены парадигмы не произошло. Конечно, этот факт связан прежде всего с тем, что до конца тридцатых годов ХХ века не существовало практики применения винтового подхода в задачах механики. Впервые это сделал молодой инженер Ф.М. Диментберг после того, как обнаружил на книжном развале книгу последователя А.П. Котельникова - Д.Н. Зейлигера (см. сноску9), в которой на основе винтового исчисления исследовались свойства поверхностей, образованных движением прямой.

Затем состоялась встреча А.П. Котельникова с Ф.М. Диментбергом, на которой основатель винтового исчисления указал, что применение этого аппарата для задач механики сплошной среды, по-видимому, нецелесообразно, а для исследования механизмов наверняка будет эффективным. Ф.М. Диментберг не только впервые использовал теорию винтов и винтовое исчисление применительно к пространственным механизмам, но и сумел изложить, а также развить этот математический аппарат не в аналитической, как большинство исследователей, а в наиболее наглядной и сжатой геометрической форме. В настоящее время метод винтов привлекает к себе внимание все большего числа ученых-механиков, работающих в области пространственных механизмов (это прежде всего США, Франция, Япония, Австралия, Китай и др.). В этой связи можно упомянуть работы Б. Росса14, К. Ханта15, К. Сугимото16, и др.

Но винтовой метод не смог полностью изменить парадигму механики, научное сообщество не преодолело точку бифуркации, не произошло «гештальт-переключение». Почему же этого не случилось? По-видимому, сила (и «траектория») внешнего воздействия на научные школы как самоорганизующиеся системы была не достаточно велика. Немаловажным представляется также следующий аспект этого вопроса. Рассматривая задачу о пространственном движении твердого тела в ее динамической постановке, мы приходим к выводу, что винтовое представление сил инерции, к сожалению, нелинейным образом связано с кинематическими винтами скоростей и ускорений. Если перемещения могут быть описаны матрицами 3х3 с дуальными элементами, то винт сил инерции связан с кинематическим винтом ускорений так называемым бинором инерции, который представляет нелинейную операцию, обусловленную наличием кориолисовых и гироскопических сил. В то же время существует разработанная Л. Эйлером изящная постановка данной задачи о движении твердого тела, в которой по существу объединены две фундаментальные теоремы механики: о движении центра масс и об изменении момента количества движения. В постановке Эйлера мы имеем векторный подход, и это еще раз доказывает, что данный метод не может быть полностью предан забвению.

Таким образом, в рассмотренном случае полная смена парадигмы пока не произошла. Причиной тому является то обстоятельство, что винтовое исчисление не может полностью «перекрыть» все задачи механики, в некоторых случаях векторное исчисление пока эффективнее. Находясь внутри самоорганизующейся системы – научного сообщества, - интересно наблюдать за процессом бифуркации (смены парадигм) – это своего рода научная интроспекция. Кроме того, зная некоторые свойства процесса бифуркации, можно воздействовать на систему (публикация статей, выступления на конференциях). Быть может решающим было бы включение изучения основ винтового исчисления в обязательную вузовскую программу.

            Перейдем к еще одному важному аспекту развития научной робототехники как инструмента. Во второй половине ХХ века методология, инструментарий технических наук существенно обогатились за счет возможностей виртуалистики. Речь идет не только о том, как значительно (в миллионы раз) возросла скорость вычислений, хотя и это не маловажно. Кроме этого, появилась возможность наблюдать и исследовать еще не изготовленный объект, определять взаимосвязь его параметров и эксплуатационных характеристик. Этот факт вносит новые нюансы во взаимоотношения субъект – инструмент – объект. Последователь Л.С. Выготского и А.Н. Леонтьева П. Рабардель по этому поводу приводил цитату из Ж. Пиаже: «субъект познает самого себя, только воздействуя на предметы, а предметы познаются только в зависимости от развития действий, производимых с ними». И далее: «…кредо Пиаже: искать источник знания в действии».17

            П. Рабардель указывал также на важность «прозрачности» инструмента. Дело в том, что в технической науке особенно важно представлять, насколько правомерны те или иные допущения, насколько адекватна применяемая модель. Ученый-механик все больше работает не с моделями механизмов или даже не с математическими формулами, а с компьютерными файлами. При этом «…Файл является одновременно продуктом деятельности, обрабатываемым предметом труда и орудием».18 Компьютерные алгоритмы и программы – это во многом те самые орудия, которые «…согласно Выготскому, позволяют осуществить не только регуляцию и преобразование внешней среды, но и регуляцию субъектом своего собственного поведения и поведения других».19

Особое, можно сказать революционное значение в этом контексте приобрели появление сети Интернет, а также совмещение достоинств компьютера и различного рода имитирующих устройств. Последние позволяют явственно представить ощущения человека, находящегося в самых разных ситуациях. Стало возможным, например, посещение виртуального музея, в котором, в отличие от реального, отсутствуют проблемы с наличием соответствующих площадей и интерьеров для размещения экспонатов. При этом можно наиболее полно и логично представить, к примеру, творчество любого художника, что резко усиливает эффект воздействия на зрителя. В настоящее время проводятся даже конкурсы между виртуальными музеями, а роль этого подхода в образовании представляется вполне очевидной.

Обратимся к истокам и возможностям компьютеризованных имитаторов различных технических систем, основываясь при этом на примере моделирования управления самолетом. Будем иметь в виду, что в данном случае наблюдается процесс междисциплинарного взаимодействия между робототехникой и виртуалистикой. Возникает вопрос, как сымитировать условия полета для получения, по возможности, наиболее полных ощущений. Самым простым представляется способ, при котором нужно заснять вид из кабины самолета и соответствующую пленку «прокрутить» зрителю – очевидно, что некоторая имитация полета будет иметь место. Эффект можно усилить, если оформить экран в виде кабины самолета, расположить там соответствующие приборы и органы управления, предусмотреть наличие стереозвука и стереоизображения при просмотре. Однако, такое решение нельзя отнести к виртуалистике, поскольку зритель не может воздействовать на происходящие вокруг него события.

Если же мы указанное изображение выстроим с помощью компьютера, который связан с «элементами управления», то можно уже вести речь о виртуальной реальности. Человек, сидящий в такой «кабине», в той или иной степени может себя чувствовать пилотом, выполняющим полет. Ниже мы рассмотрим возможности механической имитации данного процесса, основанной на использовании манипуляционных устройств параллельной структуры, а также остановимся на том, каким образом могут быть получены необходимые для этого компьютерные программы.

Пусть «кабина», в которой находится «пилот», установлена на платформе, имеющей возможность менять свою ориентацию и положение в пространстве. Тогда соответствующее управление этой механической системой обеспечит имитацию некоторых условий полета, например, крен аппарата при повороте. По нашему мнению, серьезный интерес представляет вопрос о генезисе и возможностях подобных систем, и прежде всего о принципах построения компьютерных программ, их обеспечивающих.

            Каковы же предпосылки создания упомянутых программ, могущих применяться в приведенной выше виртуальной системе, имитирующей полет самолета? Очевидно, что наиболее полное и глобальное решение этой задачи было бы в том случае, если бы мы сумели составить полную динамическую модель самолета с учетом его аэродинамических качеств, режимов двигателя, сопротивления воздуха на разных скоростях (при этом можно учесть и некоторые случайные факторы, например, участки турбулентности или нечто подобное, существующее в воздушном пространстве). Естественно, что такая модель была бы весьма и весьма сложна, но в принципе существование ее возможно, и наличие мощных компьютеров может обеспечить решение задачи подобным образом.

Отметим еще то обстоятельство, что если мы хотим «поучаствовать» в воздушном бою, то нужно сымитировать поведение самолетов противника, основываясь хотя бы на теории игр. Подобные программы применяются, в частности, при современных штабных учениях, где стратегия противника подчинена положениям этой теории. (Несколько отвлекаясь, отметим, что на теорию игр ссылался Норберт Винер, когда писал, что свободный рынок на самом деле не является автоматическим инструментом для создания всеобщего благоденствия, поскольку участники рынка, будучи игроками, имеют своей высшей целью нарушить правила игры и обмануть партнеров.)

Указанную полную динамическую модель всей системы, включающей самолет (или автомобиль) и окружающее пространство, вряд ли целесообразно строить для получения имитирующей системы ввиду сложности и дороговизны. Можно пойти иным путем, если воспользоваться уже имеющимися функционирующими объектами (в данном случае самолетами) и записать их реакции на воздействия органов управления и внешней среды при различных условиях (высота, скорость и др.). «Управляя» имитатором самолета, мы будем переходить с одного режима на другой, а состояния между этими режимами в этом случае можно интерполировать.

В качестве примера можно привести эпизод из романа Артура Хейли «Колеса», где описываются стендовые испытания автомобилей, производимые на основе записанных на разных дорогах Соединенных Штатов механических воздействий, характерных для той или иной местности. В данном случае внешний воздействующий фактор имитируется на основе реально существующих условий. Иными словами, внешние факторы могут быть учтены имитационной моделью. (Под имитационной моделью мы понимаем не полную динамическую модель, а такую, которая получена на основе анализа реакций реального объекта).

Заметим, что имитационное моделирование предполагает операцию интерполирования – мы переходим из одного исследованного и известного состояния системы в другое, а между ними необходимо, пользуясь линейной процедурой, найти искомые промежуточные состояния. Таким образом, мы вправе сделать вывод, что виртуальное представление некоторой действительности связано с более-менее линейными процедурами интерполирования ситуаций, тем или иным образом исследованных либо на реальных объектах, либо с помощью математических моделей.

Выше упоминалось, что лучшей имитации полета может способствовать тренажер, выполненный по схеме механизма параллельной структуры.  Пример такого устройства изображен на Рис. 3.2.1. Здесь Ai, Bi – точки основания-базы и выходного звена-платформы, между которыми установлены шесть линейных двигателей, перемещающих платформу относительно неподвижной системы координат Oxyz. При этом можно имитировать достачно широкий диапазон эволюций летательного аппарата. Следует указать, что данный манипуляционный механизм был впервые разработан в качестве испытательного стенда для колесно-ступичного узла автомобиля Гауфом в 1955 г., а в 1965 г. подобное устройство было предложено Стюартом для размещения на нем тренажера для летчиков. (Тем не менее такую схему называют платформой Стюарта).20

Возникает вопрос, сумеем ли мы в стендовых условиях сымитировать перегрузки, могущие возникнуть при осуществлении, например, поворота самолета. Оказывается, механизмы параллельной структуры могут способствовать такой имитации. Представим себе ситуацию, что мы «осуществляем» поворот самолета влево. В этом случае центробежная сила должна толкать пилота вправо. Очевидно, что стационарно расположенный тренажер не может дать полную картину ощущений при всех возможных скоростях и углах поворота. Однако можно так построить компьютерную программу, что платформа совершит некоторый наклон вправо, а «горизонт», который мы видим, на экране, имитирующем переднее стекло, повернется в меньшей степени. Поэтому у «пилота» будет ощущение того, что его толкает вправо центробежная сила. Подобным образом можно организовать имитацию режимов разгона и торможения Например, при ускорении платформа должна наклониться назад, «пилота» будет прижимать к спинке, а «горизонт» при этом не должен изменить своего положения. Таким образом, механизмы параллельной структуры позволяют существенно повысить достоверность ощущений человека, «пребывающего» в виртуальном мире.

            Подобные проекты осуществлены и используются, в частности в тренажерах для подготовки летчиков. Например, существует тренажер, на котором можно сымитировать полет между Москвой и Парижем, причем программа настолько точна, что учитывает даже разные конфигурации плит на бетонных полосах летного поля в двух указанных столицах. (С горечью отметим, что террористы-камикадзе, осуществившие акции в Нью-Йорке и Вашингтоне 11 августа 2001 года, по-видимому, проходили подготовку на таких тренажерах: они умели только управлять самолетом в полете, но не могли ни взлетать, ни приземляться – это гораздо более трудная задача.)

Сходным образом устроены некоторые аттракционы. Например, имеют место кинотеатры, в которых зрители располагаются на платформе и согласно сюжету фильма ощущают соответствующие ее перемещения. Многие эффекты голливудской “Universal Studio”, где зрители могут «испытать» воздействия тех или иных катаклизмов, также построены на использовании подобных механизмов, это касается, в частности, павильона, где показаны последствия землетрясения, наблюдаемые из вагона метро. Наиболее полно возможности такого подхода проявились в имитаторе некоего летательного аппарата, показанного в фильме «Назад в будущее». Участники этого аттракциона испытывают толчки от столкновения своего «транспортного средства» с окрестными постройками, ощущают резкие изменения ориентации своего аппарата, когда он «уворачивается» от других летающих объектов.

            До сих пор мы рассматривали лишь одно применение основанного на виртуальной реальности подхода – задача имитации полета в кабине летательного аппарата. Однако и из этого примера можно сделать достаточно серьезный вывод, что мы вправе до тех пор использовать виртуальную модель, пока есть возможность применения операции интерполирования, иными словами, пока система функционирует в рамках исследованных режимов, не меняя своей структуры. Эти режимы могут быть получены на основании либо математических моделей, либо опытных данных. Наличие или отсутствие механической части приводит лишь к более или менее полной совокупности ощущений человека, использующего этот имитатор. Это же касается наличия или отсутствия различных компьютерных возможностей: цвет, звук, возможно, запах (подобные работы, связанные с запахом, уже привели к определенным результатам – в компьютере могут находиться сосуды с образцами запахов, приоткрываемые в определенные моменты).

            Однако, как бы мы ни строили виртуальную систему, в ней не будет присутствовать возможность рассмотрения режимов, выходящих за рамки имеющихся моделей или опыта. Вместе с тем, в реальности могут иметь место бифуркации, катастрофы и т.п. Таким образом, представляется очевидным, что виртуалистика может сильно помочь в детальном рассмотрении хорошо исследованных процессов, она дает возможность весьма наглядно представить себе возможные варианты развития ситуации применительно к тем или иным устройствам. Но хотелось бы подчеркнуть, что реальный объект всегда богаче виртуального образа.

Более того, здесь видится некоторая опасность широкого применения виртуалистики, поскольку человек, использующий этот подход, может привыкнуть к отсутствию необратимых процессов в объекте – всегда есть в запасе две–три «жизни», в крайнем случае можно перезагрузить компьютер. Поэтому нужно весьма осторожно относиться к виртуальной действительности при составлении каких-либо прогнозов. Развивая этот тезис и рассматривая возможности современной науки с точки зрения предсказания ее некоторых будущих результатов, хотелось бы отметить, что в данном случае, как нам кажется, большинство прогнозов построено на экстраполяции, то есть на некоторой линеаризации процесса развития, что, естественно, не учитывает революционные или катастрофические изменения. Отметим, что подобные изменения и в реальности могут быть плохо идентифицируемыми, поскольку, как весьма верно заметил Тейяр де Шарден, начальную стадию любого ответвления развития очень трудно найти при рассмотрении онтогенеза, так как она весьма слаба и малочисленна.

Важно использование виртуалистики в технике, поскольку проектировщик в своем инструментарии получает возможность наглядного представления о взаимном движении различных узлов разрабатываемого механизма – это качественно изменяет эффективность труда при проектировании различных систем. Но в плане получения и предвосхищения революционных, качественно новых технических результатов возможности виртуалистики более ограничены, поскольку она предполагает использования линейных операций. Хотелось бы отметить, что возможности виртуалистики весьма широки в образовании, например, при изучении принципов работы каких-то технических устройств, поскольку в связи с виртуальным подходом резко возрастает наглядность изучаемого объекта появляется возможность игры с ним, рассмотрения различных вариантов его поведения.

Но говоря об ограниченности виртуального подхода при моделироании реальных объектов, мы не можем не отметить его способность «перенести» человека в несуществующие, фантастические миры. Там могут главенствовать совсем другие законы физики, но человек, находясь в «кабине» тренажера, «испытает» их на себе. Например, можно запрограммировать «посещение» какого-либо из слоев Шаданакара, описанных Д.Л. Андреевым21. Хотя в данном случае скорее всего присутствуют элементы художественного вымысла22, который будет очень и очень сложно подвергнуть моделированию.

Еще более волнующие перспективы приоткрываются при разработке робототехнических систем, функционирующих на поверхности других планет, в глубинах океана или в мельчайших сосудах человеческого тела. Пользуясь тренажером, человек может переживать события, происходящие от него за миллионы километров или внутри него. При этом человек будет управлять транспортным средством, воздействуя на органы управления, и ощущать, например, неровности марсианского грунта. «Эффект присутствия» можно еще повысить, если снабдить удаленный аппарат очувствленной рукой манипулятора. Управляя этой рукой, человек сможет ощутить вес или твердость марсианских камешков, приподнимаемых с поверхности.

В данном случае имеет место так называемое интерактивное управление, которое хотелось бы связать с новыми аспектами интерсубъективности, возникающими при взаимодействии человека и робота. Подчеркнем, что интерактивное управление не было бы возможно без наличия у робота собственного «мозга», адаптирующего команды человека (быть может, не всегда корректные) к реальным условиям. Робот подчас надежнее человека – вспомним хотя бы катастрофу в небе Германии в июле 2002 г., когда пилоты послушались небрежного диспетчера, а не автоматическую систему, предназначенную для предотвращения столкновений. Вообще, как отмечал П. Рабардель, в кабине будущих самолетов будут лишь один человек и собака: она - чтобы не давать ему дотрагиваться до штурвала, а он – чтобы кормить ее. Эта шутка имеет большую долю правды, так как летчики подчас обманывают автопилот для более эффективного, с их точки зрения, выполнения полетного задания23.

Любая сколь-нибудь сложная современная машина, будь то микроволновая печь, пылесос или автомобиль, все больше приобретает черты робота – внутреннюю систему управления, основанную на микропроцессорах. Человек на основе своего интеллекта или привычек адаптируется к машине, но оказывается, что и она адаптируется к нему – в этом нам видится принципиально новый аспект интерсубъективности. Это теперь не только вопрос взаимоотношений между субъектами, но и проблема взаимодействия субъекта и объекта, причем обе стороны этого взаимного процесса отныне могут подстраиваться друг под друга.

На основании изложенного попытаемся сформулировать некоторые выводы и проследить всю «цепочку», которая в рамках инструментального подхода связывает методологию робототехники и виртуалистику. Теорию роботов изначально можно рассматривать как инструмент, который «обостряет» органы чувств исследователя и позволяет ему уяснить свойства изучаемых технических объектов. Но теория – это и орудие, направленное на объект, на создание нового объекта – технического устройства. (Вновь сошлемся на П. Рабарделя, который вслед за Симондоном отмечал, что орудие – это посредник в действии, а инструмент продолжает и адаптирует органы чувств. Приведем еще одну ссылку: «Язык, знаки, карты, планы и схемы рассматриваются Выготским как психологические орудия, которые опосредуют отношения субъекта с самим собой и с другими»24). Созданный при участии теории объект, в данном случае робототехническое устройство производит и обратное воздействие на сотворившего его субъекта. Если раньше техника опосредованно изменяла человека, меняя условия его существования и заставляя его приспосабливаться к ней, то теперь, взаимодействуя с роботом, человек имеет дело с неким интеллектом, способным действовать и адаптироваться (в том числе и к его ошибкам). Изменилось содержание проблемы интерсубъективности – прибавились взаимоотношения субъекта и объекта, оснащенного интеллектом.

Кроме того, в роботе наиболее полно воплотился принцип органопроекции Э. Каппа25, согласно которому все элементы и свойства механизмов отражают свойства человеческого тела или интеллекта. В роботе человек моделирует (и тем самым познает) себя не только теоретически, но и технически, реально. Новые горизонты открывает свершившийся акт междисциплинарного взаимодействия робототехники и виртуалистики. Робототехнические тренажеры способны существенно повысить уровень восприятия человеком виртуальной реальности, конструктор сможет «покататься» или «полетать» на проектируемом, но еще не построенном транспортном средстве, путешественник, не выходя из пределов лаборатории, получит возможность «перенестись» на другую планету или в недра собственного тела.

Изложенное позволяет утверждать, что робот дает возможность сделать менее широкой и, быть может, преодолеть пропасть между гуманитарным, естественным и техническим знанием.

Примечания

Рис. 3.2.1. Параллельный (l-координатный по А.Ш. Колискору) механизм.

Рис. 3.2.1.Манипулятор параллельной структуры с тремя

кинематическими цепями

Рис. 3.2.2. Манипулятор для экстремальных сред

	у

Рис. 3.2.3. Допустимое множество в пространстве критериев.

Рис. 3.2.4. Изменение паретовского множества.

		C

Рис. 3.2.5. Модель многокритериальной задачи.

Рис. 3.2.6. Многокритериальная задача в пространстве критериев.

Рис. 1.2.3. Плоские механизмы с одной степенью свободы.

Рис. 3.2.1. Параллельный (l-координатный по А.Ш. Колискору) механизм.

			C
	A

Рис. 4.2.1. Модель существующей парадигмы

		C

Рис. 4.2.2. Модель научной революции

Рис. 4.2.3. Фрагмент кристаллической структуры

Рис. 4.2.4. Контур фрагмента.

Рис. 4.2.5. Кинематическая цепь с одной избыточной связью.

Рис. 4.2.6. Замещающий механизм параллельной структуры.

            В данном параграфе рассматриваются аспекты развития методологии научной робототехники во взаимосвязи с инструментальным подходом и появлением виртуальной реальности. Особое внимание уделяется вопросам, связанным c моделированием и виртуальным представлением различных технических объектов с точки зрения их технической реализации на основе робототехнических систем. Обсуждаются возможные границы виртуалистики в онтологическом и методологическом планах.

Проблему становления научной теории целесообразно связать с концепцией конструирования. Дело в том, что исследователь всегда имеет дело с показаниями приборов, собственно говоря, он сначала конструирует прибор – некий артефакт, который согласно инструментальному подходу Л.В. Выготского1, опосредует взаимосвязь между субъектом и объектом. Инструмент преобразует не только объект, но и в известной мере субъекта. Напомним чрезвычайно простой, но очень впечатляющий пример самого элементарного инструмента - узелка на платке, заставляющего человека вспомнить о намеченном деле. Нас интересует процесс формирования теории как инструмента, который целесообразно связать с мотивацией деятельности отдельного ученого, а также некоторого научного сообщества. Отметим, что развивая подход Л.С. Выготского, А.Н. Леонтьев указывал: «…в психологии сложилась следующая альтернатива: либо сохранить двучленную схему: воздействие объекта – изменение текущих состояний субъекта…, либо исходить из трехчленной схемы, включающей среднее звено… - деятельность субъекта и соответственно ее условия, цели и средства…»2 .

Проблема создания научной теории живо обсуждалась с различных позиций. Так, Л.А. Микешина отмечала: «Долгое время в отечественной теории познания как бы не замечали,… что познание – не только отражение, но и репрезентация, конвенция, интерпретация.»3. Х. Ортега-и-Гассет высказывал мнение, что наука – это интерпретация4, а Р. Коллинз заявлял: «Математическая реальность столь реальна именно потому, что она целиком социально сконструирована». Исследуя пути формирования математического знания, В.И. Аршинов и В.Э. Войцехович делали вывод: «Математическое становление и является, в сущности, процессом становления объекта»5.

В большей степени, чем в других областях науки, аспект конструирования знания выступает в науках технических. Здесь нужно сначала изобрести, сконструировать объект, а затем приступить к его исследованию, на это указывал еще И. Кант6. Ученый, работающий, например, в сфере робототехники, при создании теории должен руководствоваться, по крайней мере, двумя противоположными критериями – это простота и соответствие (вернее полнота соответствия). Теория, как инструмент не только познания, но и синтеза объекта, должна быть эффективна. При этом ход развития науки, накопление знаний постоянно опровергает те парадигмальные предпосылки, которые легли в основу изысканий, давших новый результат.

А. Эйнштейн неоднократно отмечал, что теория не есть формальное обобщение опытных данных: «…все понятия, возникающие в процессе нашего мышления и в наших словесных выражениях, с чисто логической точки зрения являются свободными творениями разума, которые нельзя получить из ощущений». Для обоснования утверждения, что теория вынуждена все время опровергать сама себя, Эйнштейн ссылался на Б. Рассела: «… наука воюет сама с собой: стремясь изо всех сил быть объективной, она против своей воли оказывается погруженной в субъективизм»7. С указанной точки зрения рассмотрим методологические положения робототехники и составляющих ее наук – теории механизмов и кибернетики.

Отмечавшееся выше соотношение между анализом и синтезом, которые противопоставляются друг другу, всегда предполагает, что в какой-то степени опровергнутые путем анализа имеющихся робототехнических устройств методы синтеза неизбежно будут усовершенствованы. Далее они станут нести в себе элементы предыдущего этапа своего развития. Упомянем о таком аспекте теории структурного синтеза механизмов, как рассмотрение кинематических цепей с избыточными связями, не препятствующими конечным перемещениям, несмотря на несоответствие структурной формуле.

Одним из таких механизмов является механизм Беннета8, который должен быть, согласно структурной формуле А.П. Малышева, дважды статически неопределимой фермой. В данном случае упомянутая формула выступает как инструмент анализа, так как она позволяет найти возможное число степеней свободы (затем эта же формула может использоваться и для синтеза). При подробном исследовании кинематической цепи Беннета, проведенном на основе винтового исчисления или сферической тригонометрии9, удалось выявить некоторые общие правила синтеза механизмов с избыточными связями (тем самым так или иначе был опровергнут алгоритм, использованный Беннетом для синтеза своего механизма). На базе сформированных подходов к синтезу таких кинематических цепей с избыточными связями были получены многочисленные схемы, достаточно эффективно решающие некоторые задачи пространственного перемещения различных объектов. Следует упомянуть о механизмах Гольдберга и Бейкера10, являющихся своего рода комбинациями механизма Беннета (интересно, что в указанных кинематических цепях, имеющих избыточные связи, объединены по два и более механизмов Беннета, но общее звено составляющих кинематических цепей, как правило, отброшено). П.Г.Мудровым11 были впоследствии разработаны многочисленные схемы подобного рода, предназначенные для решения разных технических задач (имеет место, в частности, устройство для воспроизведения траектории машущего крыла).

Размышляя о примерах подобного рода, невольно задаешься вопросом о взаимоотношении между критериями простоты и полноты теории, об ее эффективности как инструмента познания, о степени соответствия между применяемой моделью и описываемым ею тем или иным техническим устройством. Понятно, что модель “загрубляет” свойства реального объекта и подчас отвергается, входя в противоречие с опытом или экспериментом. Например, можно сослаться на несоответствие линейной теории колебаний и свойств нелинейных осцилляторов, это обстоятельство обусловило появление новых концепций,12 (которые тем не менее во многом сохраняют черты отвергаемых ими моделей: как правило, в линейную схему решения вводится “малый параметр”, соответствующий рассматриваемым нелинейностям).

Противоречия между критериями простоты и полноты соответствия обусловливают петлеобразный характер развития различных методов робототехники. К примеру, дифференциальное и интегральное исчисления, позволившие решить многие технические задачи, в каком-то смысле преуменьшили значение алгебраических алгоритмов и элементарных функций, но внедрение компьютерной техники привело к бурному развитию численных методов, представляющих дифференциальные уравнения в виде алгебраических выражений.

Соотношение между результатами исследований единичного механизма и целой серии этих объектов приводит к тому, что статистические методики вытесняют алгоритмы обычного анализа. Так, строя закон распределения случайной величины, характеризующей какой-либо параметр механического устройства (как правило, согласно закону больших чисел, утверждающему, что величина, зависящая от многих случайных факторов, подвержена нормальному распределению Гаусса, имеет место именно такое распределение), мы должны воспользоваться достаточно сложным интегральным выражением. Но, найдя так называемое математическое ожидание, характеризующее наиболее вероятное значение величины, и дисперсию, связанную с отклонениями от указанного значения, мы вновь приходим к алгебраическим выражениям и обычным функциям, описывающим всю серию механизмов.

Как упоминалось, все большее значение в робототехнике приобретает винтовое исчисление. Поэтому уместно привести некоторые моменты становления этой теории при учете наличия двух противоположных критериев ее оценки. Как известно, один из создателей аналитической механики Лагранж гордился тем, что в его сочинении полностью отсутствовали рисунки - тем самым метод Декарта, рассматривающий положения тел на основе их координат, получил наиболее полное воплощение. Безусловно подход Лагранжа и Гамильтона придали механике законченную и “академическую” форму и позволили получить ряд фундаментальных принципов (принцип наименьшего действия и др.). Однако данный метод имел и свои недостатки, так как механика неразрывно связана с геометрией, и при утрате образности существует опасность пройти мимо существенных характеристик тех или иных объектов.

В качестве примера приведем ситуацию, сложившуюся в некоторых научных школах, функционирующих в области робототехники и рассматривающих эти устройства как произвольные системы твердых тел. Решая задачи управления, представители данных школ записывают формальные системы уравнений, при которых задача о положениях (представляющая геометрическую проблему) сводится к поиску минимума некоторого функционала. Это подчас приводит к чрезмерному усложнению задачи и потере некоторых решений. В то же время геометрические методы (винтовые, векторные и матричные) в ряде случаев позволяют не только эффективно решить задачу, но и выявить некоторые качественные характеристики, связанные например с положениями бифуркации.

Винт, по отношению к вектору, представляет конструкт более высокого порядка. Известно, что большинство параметров механики, связанных с силами и движением, описываются с помощью векторов (например сила, действующая на материальную точку, радиус-вектор этой точки, ее скорость и ускорение - это векторы). Векторы можно складывать и вычитать, перемножать, интегрировать, дифференцировать. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что упомянутые векторы имеют несколько разные свойства. Так, сила или угловая скорость это вектор скользящий, пара сил или линейная скорость - вектор свободный, радиус-вектор точки имеет установленное начало, расположенное в центре координат. Данный факт свидетельствует о том, что эти векторы характеризуют различные физические параметры, и это отражается в некотором различии математического описания.

Но какая бы система тел ни действовала на тело, всегда путем геометрического суммирования ее можно свести к одной равнодействующей и паре сил - мы приходим к силовому винту. С другой стороны, сколь сложное движение ни совершало бы твердое тело, всегда его можно привести к кинематическому винту - совокупности линейного перемещения вдоль некоторой оси и вращения вокруг нее. Возник вопрос, нельзя ли (сообразно с критерием простоты) объединить все указанные геометрические образы в один обобщенный образ и таким образом повысить эффективность теории как инструмента.

В первой половине XIX века работы Пуансо и Мебиуса заложили основу винтового метода. В 1876 году английский математик Роберт Болл в Кембридже издал свой трактат о теории винтов, дополненный и переизданный затем в 1900 году13. Примечателен рассказ Р. Болла “Притча о винтах”, в котором идет речь о некоей технической комиссии, рассматривавшей возможные движения механического устройства с несколькими степенями свободы. В комиссии присутствовали Председатель, Мистер Здравый Смысл, Мистер Картезиан  (последователь метода Декарта), а также Мистер Геликс, оперирующий набором винтов различного шага.

Мистер Картезиан смог отыскать лишь несколько комбинаций координат векторов поступательного и вращательного движений, что не характеризовало движение по существу. Мистер Геликс смог решить задачу, найдя оси винтовых движений с некоторыми определенными шагами, причем возможны были также комбинации этих движений. Итак, используя винтовой метод при разработке методологического инструментария, исследователь поднимается на более высокий уровень обобщения, тем самым развивая векторный подход.

Затем метод винтов получил дальнейшее развитие. В 1887 году ирландским математиком У. Клиффордом был предложен множитель (квадрат которого равен нулю), с помощью которого скользящий вектор формально преобразуется в свободный, сила обращается в момент пары сил, а угловая скорость в линейную. Используя множитель Клиффорда, А.П. Котельников и Э. Штуди в конце XIX века сформулировали «принцип перенесения». Согласно этому принципу все операции векторного исчисления переносятся на винты, представляемые в виде формальных сумм главной (векторной) и моментной частей – при этом в полной мере сформировалось собственно винтовое исчисление. Однако отметим, что винтовое исчисление не полностью перечеркивает векторное, неся в себе его черты.

Казалось бы, достигнутый уровень эффективности применения винтового исчисления должен обеспечить безусловный приоритет этого подхода, этого инструмента. Но несмотря на преимущества указанного исчисления, многие исследователи даже не знают о его существовании, в то время как векторы используются повсеместно – смены парадигмы не произошло. Конечно, этот факт связан прежде всего с тем, что до конца тридцатых годов ХХ века не существовало практики применения винтового подхода в задачах механики. Впервые это сделал молодой инженер Ф.М. Диментберг после того, как обнаружил на книжном развале книгу последователя А.П. Котельникова - Д.Н. Зейлигера (см. сноску9), в которой на основе винтового исчисления исследовались свойства поверхностей, образованных движением прямой.

Затем состоялась встреча А.П. Котельникова с Ф.М. Диментбергом, на которой основатель винтового исчисления указал, что применение этого аппарата для задач механики сплошной среды, по-видимому, нецелесообразно, а для исследования механизмов наверняка будет эффективным. Ф.М. Диментберг не только впервые использовал теорию винтов и винтовое исчисление применительно к пространственным механизмам, но и сумел изложить, а также развить этот математический аппарат не в аналитической, как большинство исследователей, а в наиболее наглядной и сжатой геометрической форме. В настоящее время метод винтов привлекает к себе внимание все большего числа ученых-механиков, работающих в области пространственных механизмов (это прежде всего США, Франция, Япония, Австралия, Китай и др.). В этой связи можно упомянуть работы Б. Росса14, К. Ханта15, К. Сугимото16, и др.

Но винтовой метод не смог полностью изменить парадигму механики, научное сообщество не преодолело точку бифуркации, не произошло «гештальт-переключение». Почему же этого не случилось? По-видимому, сила (и «траектория») внешнего воздействия на научные школы как самоорганизующиеся системы была не достаточно велика. Немаловажным представляется также следующий аспект этого вопроса. Рассматривая задачу о пространственном движении твердого тела в ее динамической постановке, мы приходим к выводу, что винтовое представление сил инерции, к сожалению, нелинейным образом связано с кинематическими винтами скоростей и ускорений. Если перемещения могут быть описаны матрицами 3х3 с дуальными элементами, то винт сил инерции связан с кинематическим винтом ускорений так называемым бинором инерции, который представляет нелинейную операцию, обусловленную наличием кориолисовых и гироскопических сил. В то же время существует разработанная Л. Эйлером изящная постановка данной задачи о движении твердого тела, в которой по существу объединены две фундаментальные теоремы механики: о движении центра масс и об изменении момента количества движения. В постановке Эйлера мы имеем векторный подход, и это еще раз доказывает, что данный метод не может быть полностью предан забвению.

Таким образом, в рассмотренном случае полная смена парадигмы пока не произошла. Причиной тому является то обстоятельство, что винтовое исчисление не может полностью «перекрыть» все задачи механики, в некоторых случаях векторное исчисление пока эффективнее. Находясь внутри самоорганизующейся системы – научного сообщества, - интересно наблюдать за процессом бифуркации (смены парадигм) – это своего рода научная интроспекция. Кроме того, зная некоторые свойства процесса бифуркации, можно воздействовать на систему (публикация статей, выступления на конференциях). Быть может решающим было бы включение изучения основ винтового исчисления в обязательную вузовскую программу.

            Перейдем к еще одному важному аспекту развития научной робототехники как инструмента. Во второй половине ХХ века методология, инструментарий технических наук существенно обогатились за счет возможностей виртуалистики. Речь идет не только о том, как значительно (в миллионы раз) возросла скорость вычислений, хотя и это не маловажно. Кроме этого, появилась возможность наблюдать и исследовать еще не изготовленный объект, определять взаимосвязь его параметров и эксплуатационных характеристик. Этот факт вносит новые нюансы во взаимоотношения субъект – инструмент – объект. Последователь Л.С. Выготского и А.Н. Леонтьева П. Рабардель по этому поводу приводил цитату из Ж. Пиаже: «субъект познает самого себя, только воздействуя на предметы, а предметы познаются только в зависимости от развития действий, производимых с ними». И далее: «…кредо Пиаже: искать источник знания в действии».17

            П. Рабардель указывал также на важность «прозрачности» инструмента. Дело в том, что в технической науке особенно важно представлять, насколько правомерны те или иные допущения, насколько адекватна применяемая модель. Ученый-механик все больше работает не с моделями механизмов или даже не с математическими формулами, а с компьютерными файлами. При этом «…Файл является одновременно продуктом деятельности, обрабатываемым предметом труда и орудием».18 Компьютерные алгоритмы и программы – это во многом те самые орудия, которые «…согласно Выготскому, позволяют осуществить не только регуляцию и преобразование внешней среды, но и регуляцию субъектом своего собственного поведения и поведения других».19

Особое, можно сказать революционное значение в этом контексте приобрели появление сети Интернет, а также совмещение достоинств компьютера и различного рода имитирующих устройств. Последние позволяют явственно представить ощущения человека, находящегося в самых разных ситуациях. Стало возможным, например, посещение виртуального музея, в котором, в отличие от реального, отсутствуют проблемы с наличием соответствующих площадей и интерьеров для размещения экспонатов. При этом можно наиболее полно и логично представить, к примеру, творчество любого художника, что резко усиливает эффект воздействия на зрителя. В настоящее время проводятся даже конкурсы между виртуальными музеями, а роль этого подхода в образовании представляется вполне очевидной.

Обратимся к истокам и возможностям компьютеризованных имитаторов различных технических систем, основываясь при этом на примере моделирования управления самолетом. Будем иметь в виду, что в данном случае наблюдается процесс междисциплинарного взаимодействия между робототехникой и виртуалистикой. Возникает вопрос, как сымитировать условия полета для получения, по возможности, наиболее полных ощущений. Самым простым представляется способ, при котором нужно заснять вид из кабины самолета и соответствующую пленку «прокрутить» зрителю – очевидно, что некоторая имитация полета будет иметь место. Эффект можно усилить, если оформить экран в виде кабины самолета, расположить там соответствующие приборы и органы управления, предусмотреть наличие стереозвука и стереоизображения при просмотре. Однако, такое решение нельзя отнести к виртуалистике, поскольку зритель не может воздействовать на происходящие вокруг него события.

Если же мы указанное изображение выстроим с помощью компьютера, который связан с «элементами управления», то можно уже вести речь о виртуальной реальности. Человек, сидящий в такой «кабине», в той или иной степени может себя чувствовать пилотом, выполняющим полет. Ниже мы рассмотрим возможности механической имитации данного процесса, основанной на использовании манипуляционных устройств параллельной структуры, а также остановимся на том, каким образом могут быть получены необходимые для этого компьютерные программы.

Пусть «кабина», в которой находится «пилот», установлена на платформе, имеющей возможность менять свою ориентацию и положение в пространстве. Тогда соответствующее управление этой механической системой обеспечит имитацию некоторых условий полета, например, крен аппарата при повороте. По нашему мнению, серьезный интерес представляет вопрос о генезисе и возможностях подобных систем, и прежде всего о принципах построения компьютерных программ, их обеспечивающих.

            Каковы же предпосылки создания упомянутых программ, могущих применяться в приведенной выше виртуальной системе, имитирующей полет самолета? Очевидно, что наиболее полное и глобальное решение этой задачи было бы в том случае, если бы мы сумели составить полную динамическую модель самолета с учетом его аэродинамических качеств, режимов двигателя, сопротивления воздуха на разных скоростях (при этом можно учесть и некоторые случайные факторы, например, участки турбулентности или нечто подобное, существующее в воздушном пространстве). Естественно, что такая модель была бы весьма и весьма сложна, но в принципе существование ее возможно, и наличие мощных компьютеров может обеспечить решение задачи подобным образом.

Отметим еще то обстоятельство, что если мы хотим «поучаствовать» в воздушном бою, то нужно сымитировать поведение самолетов противника, основываясь хотя бы на теории игр. Подобные программы применяются, в частности, при современных штабных учениях, где стратегия противника подчинена положениям этой теории. (Несколько отвлекаясь, отметим, что на теорию игр ссылался Норберт Винер, когда писал, что свободный рынок на самом деле не является автоматическим инструментом для создания всеобщего благоденствия, поскольку участники рынка, будучи игроками, имеют своей высшей целью нарушить правила игры и обмануть партнеров.)

Указанную полную динамическую модель всей системы, включающей самолет (или автомобиль) и окружающее пространство, вряд ли целесообразно строить для получения имитирующей системы ввиду сложности и дороговизны. Можно пойти иным путем, если воспользоваться уже имеющимися функционирующими объектами (в данном случае самолетами) и записать их реакции на воздействия органов управления и внешней среды при различных условиях (высота, скорость и др.). «Управляя» имитатором самолета, мы будем переходить с одного режима на другой, а состояния между этими режимами в этом случае можно интерполировать.

В качестве примера можно привести эпизод из романа Артура Хейли «Колеса», где описываются стендовые испытания автомобилей, производимые на основе записанных на разных дорогах Соединенных Штатов механических воздействий, характерных для той или иной местности. В данном случае внешний воздействующий фактор имитируется на основе реально существующих условий. Иными словами, внешние факторы могут быть учтены имитационной моделью. (Под имитационной моделью мы понимаем не полную динамическую модель, а такую, которая получена на основе анализа реакций реального объекта).

Заметим, что имитационное моделирование предполагает операцию интерполирования – мы переходим из одного исследованного и известного состояния системы в другое, а между ними необходимо, пользуясь линейной процедурой, найти искомые промежуточные состояния. Таким образом, мы вправе сделать вывод, что виртуальное представление некоторой действительности связано с более-менее линейными процедурами интерполирования ситуаций, тем или иным образом исследованных либо на реальных объектах, либо с помощью математических моделей.

Выше упоминалось, что лучшей имитации полета может способствовать тренажер, выполненный по схеме механизма параллельной структуры.  Пример такого устройства изображен на Рис. 3.2.1. Здесь Ai, Bi – точки основания-базы и выходного звена-платформы, между которыми установлены шесть линейных двигателей, перемещающих платформу относительно неподвижной системы координат Oxyz. При этом можно имитировать достачно широкий диапазон эволюций летательного аппарата. Следует указать, что данный манипуляционный механизм был впервые разработан в качестве испытательного стенда для колесно-ступичного узла автомобиля Гауфом в 1955 г., а в 1965 г. подобное устройство было предложено Стюартом для размещения на нем тренажера для летчиков. (Тем не менее такую схему называют платформой Стюарта).20

Возникает вопрос, сумеем ли мы в стендовых условиях сымитировать перегрузки, могущие возникнуть при осуществлении, например, поворота самолета. Оказывается, механизмы параллельной структуры могут способствовать такой имитации. Представим себе ситуацию, что мы «осуществляем» поворот самолета влево. В этом случае центробежная сила должна толкать пилота вправо. Очевидно, что стационарно расположенный тренажер не может дать полную картину ощущений при всех возможных скоростях и углах поворота. Однако можно так построить компьютерную программу, что платформа совершит некоторый наклон вправо, а «горизонт», который мы видим, на экране, имитирующем переднее стекло, повернется в меньшей степени. Поэтому у «пилота» будет ощущение того, что его толкает вправо центробежная сила. Подобным образом можно организовать имитацию режимов разгона и торможения Например, при ускорении платформа должна наклониться назад, «пилота» будет прижимать к спинке, а «горизонт» при этом не должен изменить своего положения. Таким образом, механизмы параллельной структуры позволяют существенно повысить достоверность ощущений человека, «пребывающего» в виртуальном мире.

            Подобные проекты осуществлены и используются, в частности в тренажерах для подготовки летчиков. Например, существует тренажер, на котором можно сымитировать полет между Москвой и Парижем, причем программа настолько точна, что учитывает даже разные конфигурации плит на бетонных полосах летного поля в двух указанных столицах. (С горечью отметим, что террористы-камикадзе, осуществившие акции в Нью-Йорке и Вашингтоне 11 августа 2001 года, по-видимому, проходили подготовку на таких тренажерах: они умели только управлять самолетом в полете, но не могли ни взлетать, ни приземляться – это гораздо более трудная задача.)

Сходным образом устроены некоторые аттракционы. Например, имеют место кинотеатры, в которых зрители располагаются на платформе и согласно сюжету фильма ощущают соответствующие ее перемещения. Многие эффекты голливудской “Universal Studio”, где зрители могут «испытать» воздействия тех или иных катаклизмов, также построены на использовании подобных механизмов, это касается, в частности, павильона, где показаны последствия землетрясения, наблюдаемые из вагона метро. Наиболее полно возможности такого подхода проявились в имитаторе некоего летательного аппарата, показанного в фильме «Назад в будущее». Участники этого аттракциона испытывают толчки от столкновения своего «транспортного средства» с окрестными постройками, ощущают резкие изменения ориентации своего аппарата, когда он «уворачивается» от других летающих объектов.

            До сих пор мы рассматривали лишь одно применение основанного на виртуальной реальности подхода – задача имитации полета в кабине летательного аппарата. Однако и из этого примера можно сделать достаточно серьезный вывод, что мы вправе до тех пор использовать виртуальную модель, пока есть возможность применения операции интерполирования, иными словами, пока система функционирует в рамках исследованных режимов, не меняя своей структуры. Эти режимы могут быть получены на основании либо математических моделей, либо опытных данных. Наличие или отсутствие механической части приводит лишь к более или менее полной совокупности ощущений человека, использующего этот имитатор. Это же касается наличия или отсутствия различных компьютерных возможностей: цвет, звук, возможно, запах (подобные работы, связанные с запахом, уже привели к определенным результатам – в компьютере могут находиться сосуды с образцами запахов, приоткрываемые в определенные моменты).

            Однако, как бы мы ни строили виртуальную систему, в ней не будет присутствовать возможность рассмотрения режимов, выходящих за рамки имеющихся моделей или опыта. Вместе с тем, в реальности могут иметь место бифуркации, катастрофы и т.п. Таким образом, представляется очевидным, что виртуалистика может сильно помочь в детальном рассмотрении хорошо исследованных процессов, она дает возможность весьма наглядно представить себе возможные варианты развития ситуации применительно к тем или иным устройствам. Но хотелось бы подчеркнуть, что реальный объект всегда богаче виртуального образа.

Более того, здесь видится некоторая опасность широкого применения виртуалистики, поскольку человек, использующий этот подход, может привыкнуть к отсутствию необратимых процессов в объекте – всегда есть в запасе две–три «жизни», в крайнем случае можно перезагрузить компьютер. Поэтому нужно весьма осторожно относиться к виртуальной действительности при составлении каких-либо прогнозов. Развивая этот тезис и рассматривая возможности современной науки с точки зрения предсказания ее некоторых будущих результатов, хотелось бы отметить, что в данном случае, как нам кажется, большинство прогнозов построено на экстраполяции, то есть на некоторой линеаризации процесса развития, что, естественно, не учитывает революционные или катастрофические изменения. Отметим, что подобные изменения и в реальности могут быть плохо идентифицируемыми, поскольку, как весьма верно заметил Тейяр де Шарден, начальную стадию любого ответвления развития очень трудно найти при рассмотрении онтогенеза, так как она весьма слаба и малочисленна.

Важно использование виртуалистики в технике, поскольку проектировщик в своем инструментарии получает возможность наглядного представления о взаимном движении различных узлов разрабатываемого механизма – это качественно изменяет эффективность труда при проектировании различных систем. Но в плане получения и предвосхищения революционных, качественно новых технических результатов возможности виртуалистики более ограничены, поскольку она предполагает использования линейных операций. Хотелось бы отметить, что возможности виртуалистики весьма широки в образовании, например, при изучении принципов работы каких-то технических устройств, поскольку в связи с виртуальным подходом резко возрастает наглядность изучаемого объекта появляется возможность игры с ним, рассмотрения различных вариантов его поведения.

Но говоря об ограниченности виртуального подхода при моделироании реальных объектов, мы не можем не отметить его способность «перенести» человека в несуществующие, фантастические миры. Там могут главенствовать совсем другие законы физики, но человек, находясь в «кабине» тренажера, «испытает» их на себе. Например, можно запрограммировать «посещение» какого-либо из слоев Шаданакара, описанных Д.Л. Андреевым21. Хотя в данном случае скорее всего присутствуют элементы художественного вымысла22, который будет очень и очень сложно подвергнуть моделированию.

Еще более волнующие перспективы приоткрываются при разработке робототехнических систем, функционирующих на поверхности других планет, в глубинах океана или в мельчайших сосудах человеческого тела. Пользуясь тренажером, человек может переживать события, происходящие от него за миллионы километров или внутри него. При этом человек будет управлять транспортным средством, воздействуя на органы управления, и ощущать, например, неровности марсианского грунта. «Эффект присутствия» можно еще повысить, если снабдить удаленный аппарат очувствленной рукой манипулятора. Управляя этой рукой, человек сможет ощутить вес или твердость марсианских камешков, приподнимаемых с поверхности.

В данном случае имеет место так называемое интерактивное управление, которое хотелось бы связать с новыми аспектами интерсубъективности, возникающими при взаимодействии человека и робота. Подчеркнем, что интерактивное управление не было бы возможно без наличия у робота собственного «мозга», адаптирующего команды человека (быть может, не всегда корректные) к реальным условиям. Робот подчас надежнее человека – вспомним хотя бы катастрофу в небе Германии в июле 2002 г., когда пилоты послушались небрежного диспетчера, а не автоматическую систему, предназначенную для предотвращения столкновений. Вообще, как отмечал П. Рабардель, в кабине будущих самолетов будут лишь один человек и собака: она - чтобы не давать ему дотрагиваться до штурвала, а он – чтобы кормить ее. Эта шутка имеет большую долю правды, так как летчики подчас обманывают автопилот для более эффективного, с их точки зрения, выполнения полетного задания23.

Любая сколь-нибудь сложная современная машина, будь то микроволновая печь, пылесос или автомобиль, все больше приобретает черты робота – внутреннюю систему управления, основанную на микропроцессорах. Человек на основе своего интеллекта или привычек адаптируется к машине, но оказывается, что и она адаптируется к нему – в этом нам видится принципиально новый аспект интерсубъективности. Это теперь не только вопрос взаимоотношений между субъектами, но и проблема взаимодействия субъекта и объекта, причем обе стороны этого взаимного процесса отныне могут подстраиваться друг под друга.

На основании изложенного попытаемся сформулировать некоторые выводы и проследить всю «цепочку», которая в рамках инструментального подхода связывает методологию робототехники и виртуалистику. Теорию роботов изначально можно рассматривать как инструмент, который «обостряет» органы чувств исследователя и позволяет ему уяснить свойства изучаемых технических объектов. Но теория – это и орудие, направленное на объект, на создание нового объекта – технического устройства. (Вновь сошлемся на П. Рабарделя, который вслед за Симондоном отмечал, что орудие – это посредник в действии, а инструмент продолжает и адаптирует органы чувств. Приведем еще одну ссылку: «Язык, знаки, карты, планы и схемы рассматриваются Выготским как психологические орудия, которые опосредуют отношения субъекта с самим собой и с другими»24). Созданный при участии теории объект, в данном случае робототехническое устройство производит и обратное воздействие на сотворившего его субъекта. Если раньше техника опосредованно изменяла человека, меняя условия его существования и заставляя его приспосабливаться к ней, то теперь, взаимодействуя с роботом, человек имеет дело с неким интеллектом, способным действовать и адаптироваться (в том числе и к его ошибкам). Изменилось содержание проблемы интерсубъективности – прибавились взаимоотношения субъекта и объекта, оснащенного интеллектом.

Кроме того, в роботе наиболее полно воплотился принцип органопроекции Э. Каппа25, согласно которому все элементы и свойства механизмов отражают свойства человеческого тела или интеллекта. В роботе человек моделирует (и тем самым познает) себя не только теоретически, но и технически, реально. Новые горизонты открывает свершившийся акт междисциплинарного взаимодействия робототехники и виртуалистики. Робототехнические тренажеры способны существенно повысить уровень восприятия человеком виртуальной реальности, конструктор сможет «покататься» или «полетать» на проектируемом, но еще не построенном транспортном средстве, путешественник, не выходя из пределов лаборатории, получит возможность «перенестись» на другую планету или в недра собственного тела.

Изложенное позволяет утверждать, что робот дает возможность сделать менее широкой и, быть может, преодолеть пропасть между гуманитарным, естественным и техническим знанием.

Примечания

Рис. 3.2.1. Параллельный (l-координатный по А.Ш. Колискору) механизм.

Рис. 3.2.1.Манипулятор параллельной структуры с тремя

кинематическими цепями

Рис. 3.2.2. Манипулятор для экстремальных сред

	у

Рис. 3.2.3. Допустимое множество в пространстве критериев.

Рис. 3.2.4. Изменение паретовского множества.

		C

Рис. 3.2.5. Модель многокритериальной задачи.

Рис. 3.2.6. Многокритериальная задача в пространстве критериев.

Рис. 1.2.3. Плоские механизмы с одной степенью свободы.

Рис. 3.2.1. Параллельный (l-координатный по А.Ш. Колискору) механизм.

			C
	A

Рис. 4.2.1. Модель существующей парадигмы

		C

Рис. 4.2.2. Модель научной революции

Рис. 4.2.3. Фрагмент кристаллической структуры

Рис. 4.2.4. Контур фрагмента.

Рис. 4.2.5. Кинематическая цепь с одной избыточной связью.

Рис. 4.2.6. Замещающий механизм параллельной структуры.