Разкази за науката - Мехатрониката

Излезе 87-ми брой на сп. "Българска наука". Избрахме за вас поредната история на Николай К. Витанов – Институт по механика и Златинка И. Димитрова – Институт по физика на твърдото тяло „Г. Наджаков“ от поредицата "Разкази за науката".

Какво е мехатроника и за какво е нужна тя ?

Думата мехатроника е измислена в Япония. В 1969 г. от Тетсуро Мори – инженер от фирмата Яскава. Механтрониката предполага обединение на принципите на механиката и електрониката за създаване на надеждни и полезни системи (ако при това те може да са прости и икономични – още по-добре).

^{Фигура 1. Екзоскелет.Нали виждате как това устройство помага на хилавия младеж да кляка с три торби цимент. Че къде в България може човек да види екзоскелет? - ще попитате. Как къде - в Института по механика на БАН .Там хилавите феодални старци правят такива неща, защото „не могат да си вдигнат кафето“. За медицински цели, демек. Е, сега, ние не ви казваме, че тез разработки по света се използват и за друго – ама вие вижте все пак фиг. 2. Пък може и да се сетите що са перспективни таквиз разработки.}

Мехатрониката изисква добро познаване на теорията на системите, електронно инженерство, телекомуникации, теория на синхронизацията и теория на контрола и най-вече принципите на механиката. Та не се чудете, че мехатрониката се развива в Института по механика на БАН – всички предпоставки за нейното развитие – както теоретични, така и практически, там са налице.

^{Фигура. 2 Някои други приложения на екзоскелета. Биомехатроника, батка! Хайде сега си представете една биомехатронна кокошка и четете нататък. Ще видите, че зад всичките шеги и закачки стои доста сериозна математика и страшни думи като синхронизация и контрол на сложни системи.}

Мехатрониката има много области на приложение. Я да поразкажем за няколко от тях. Механика и електроника, значи. Мислим, мислим и се сещаме например за машиностроене и уредостроене. Два примера за таквиз неща – транспорт – фиг. 3

^{Фигура 3.}

^{Мехатронна система в транспорта – влакът – куршум (или както му казват на съответния език - шинкансен)}

и енергетика – фиг. 4.

^{Фигура 4. Ядрено-мехатронна система в енергетиката – атомен реактор.}

Хайде, докато не сме забравили, да споменем и биомехатрониката- фиг. 5.

^{Фигура 5.  Е, тук можеше да ви покажем нещо от филмите за Терминатора (например онова нещо, наречено Т-1000, дето минава през железни решетки), но ето ви нещо, инспирирано от биологията (в годината на маймуната сме все пак).}

Постиженията на мехатрониката се използват за инженеринг, реинженеринг и продължаване на жизнения цикъл на индустриални машини, уреди и системи, както и за създаване на  системи за автоматизирано и софтуерно подпомагано управление- фиг. 6.

^{Фигура 6. Софтуерно контролирана система. Ако тази не ви се струва достатъчно сложна, помислете си за нещо по-сложно като контрола на разпределението на електрическа енергия в една държава.}

Важна част от мехатрониката е свързана с тримерното моделиране на роботизирани автоматизирани системи, което е част от роботиката и автоматизацията на процесите – фиг. 7.

^{Фигура 7. Тримерно моделиране на роботизирана система.}

Следващото приложение на мехатрониката е свързано с концепцията за интелигентни системи и уреди, интелигентни домове и защо не – интелигентни градове. Представете си, че ще можете да контролирате уредите във вашия дом от разстояние, да давате устни заповеди на парното и печката и да указвате дистанционно на телевизорада запише някое предаване, което в момента не можете да гледате, а ви е интересно – фиг. 8. Тези неща вече излизат от сферата на мечтите и се приближават към сферата на реалния живот.

^{Фигура 8. Интелигентният дом полека започва да се превръща от фантастика в реалност.}

Нека не забравяме и аерокосмическите приложения на мехатрониката – това са все високотехнологични продукти, плод на сложни производствени вериги. А пък приложенията могат да са невинни – фиг. 9 или пък не толкова невинни – фиг. 10.

^{Фигура 9. Един относително невинен резултат от аерокосмическия клон на мехатрониката. Относително невинен, защото като се скрие с таз камера зад някой ъгъл, доста неприятности може да направи за обекта или субекта, който се следи от камерата.}

^{Фигура 10. Този продукт на аерокосмическия клон на мехатрониката вече не е толкова невинен. Между другото, ракетите под крилцата на дрончето са един друг интересен продукт на аерокосмическия клон на мехатрониката.} 

Да споменем и за мехатронните системи с вградени източници на чиста енергия в тях – фиг. 11

^{Фигура 11. Развитието на мехатронните технологии води и до появата на нови знаци по улиците.}

Нека да завършим този кратък и далеч непълен преглед на приложенията на мехатрониката с една илюстрация на това, колко голямо е бъдещето на мехатронните системи – поне толкова голямо, колкото големи са усилията ни за усвояване на околоземното космическо пространство и на далечния космос – фиг. 12

^{Фигура 12. Мехатронна система в космоса.}

Ролята на науката за постиженията на мехатрониката.

            Добре де, ще се запитате, какво стои зад тези тъй впечатлителни постижения на мехатрониката и защо у настакива разработки се правят много трудно? Е, ако си припомним разсъжденията от началото на този разказ на припичащия се на февруарското слънце г-н Витанов, то отговора май че е ясен -някои хора си мислят, че като псуват, псуват, псууууват достатъчно учените и хоп – ще се появят бойни дронове с обхват над 1000 километра. И като държат, държат, държаааат заплатите на учените равни на тези на чистачките – хоп, ще се появят и най-разнообразни роботи, че и влакове стрели ще кръстосват татковината отляво-надясно и отгоре – надолу. И си чакат тези ръководни хора кукувото лято, когато това ще се случи. А то проклетото кукуво лято все не идва. За което, разбира се, е виновна не тъпата научна политика, ами учените. В следващите години ще гледаме нови чудесии по отношение на ръководната мисъл на науката в България. Кога ли ще се разбере, че пътят е погрешен? Никога, разбира се – Айнщайн се е съмнявал, че Вселената е безкрайна, ама че едно друго нещо е безкрайно - никак не се е съмнявал, тъй да знаете.

            И като така, хайде да ви поразкажем за някои интересни клонове ва науката, които са основата на постиженията на мехатрониката. Пък ако ви се стори, че доста от това, дето ще ви разкажем е фундаментална наука – то само тъй ви се струва. Идеологическите корифеи на българското научно развитие ви приказват друго и те ще да са прави, а ние – не. Че как иначе.

              И тъй, както ви направи впечатление от картинките, повечето от мехатронните системи са доста сложни. И тук веднага стигаме до науката за изследване на сложните системи и по-точно до оная част от нея, която изследва сложните системи с математически методи. А сложни системи по света – колкото щеш. Даже вие може да си направите – фиг. 13.

^{Фигура 13. Сложните системи могат да се появят неочаквано бързо. Трябва само мъъъничко да изтървете нещата от контрол. А думата контрол я запомнете. За нея ще отворим приказка по-надолу из текста.}

И като гледате системата на фиг. 13, може и да си помислите – как ли се контролира това нещо? И понятие си нямате колко близо се намирате до една научна дисциплина, наречена математическа теория на контрола. А пък тази математическа теория на контрола лежи на основите на теорията на диференциалните уравнения (Какво, почнахте ли да се препотявате – отбележете, че стигнахме до диференциалните уравнения, а сме само на няколко сантиметра от жичките на фиг. 13. Та това си го спомняйте всеки път, когато по телевизията ви се появят поредният Бърборино и поредната Бърборина да ви мелят на главата, че от науката полза няма). Та движи се една мехатронна система – да речем един спътник по траекторията си и решава да се отклони от нея (чукне го някой космически отпадък) и трябва да го върнете на траекторията – демек, да контролирате движението му. И как ще го направите? Вариант 1 – викате Бърбориното и Бърборината да баят, та дано спътникът се върне на орбитата. И веднага ще установите, че законите на механиката си действат, колкото и да бърборят многознайните „стратези на научното развитие“. Значи, може да отидете на друг вариант – викате някой, който разбира от математическа теория на контрола и той ще ви каже кога, къде и за колко време да включите двигателите, че да върнете спътника на орбита. След което Бърбориното и Бърборината ще напълнят телевизионния екран и ще започнат да псуват специалистите и да дърдорят, че заплатите им трябва да се държат ниски. Впрочем, позагледайте се в изкуствените зъбки на бърборковците – и те са изработени с участието на мехатронни системи. Да не отваряме дума за силиконовите пълнежи, че за друго имаме да ви говорим.

      Та, технологиите за контрол на мехатронни системи са доста математизирани (същото важи и за технологиите за контрол на социални системи, но не казвайте на бърборковците, че може и да се усетят, че тях така ги контролират). Една от задачите на фундаменталната наука, стояща зад мехатрониката е да се прилагат все по-сложни математични методи и модели  за контрол на сложни системи. На това нещо му се казва mathematical engineering. За да може да се контролират мехатронните системи, обаче, е необходимо да се извършат доста математически действия, като например реконструкции на състоянието, линейно и нелинейно моделиране, анализ на времеви редове и предсказване на поведението на времеви редове, моделиране на поведението, устойчивостта и дисипативността на системите, които ще контролираме. Много модерен в последните години е контролът на основата на непрецизна логика (Fuzzy logic control). Непрецизната математична логика се отличава от класическата математична логика по това, че използва непрецизни модели на причинността и по това се доближава до реалната човешка логика.  Непрецизната логика се основава на системи, способни да запаметяват знания и на приблизителен отговор на задаваните въпроси. За разлика от Аристотеловата логика, която работи с отговори „да” или „не” на даден въпрос, непрецизната логика работи и с отговори, които не са нито „да”, нито „не” (диспозиционна логика).

              Надухме ли ви главата пак с математика? Е, тогава няма да ви разкажем, например, за невербалното обучение (nonverbal teaching) на роботизирани системи. Няма да ви кажем, че знанието се отличава от другите видове ресурси по това, че с течение на времето остарява и използваемостта му намалява. Изобщо не си мислете, че ще ви кажем, че знанието бива експлицитно (явно)- лесно се комуникира чрез данни, формули, наръчници и др,и неявно (tacit) – то е трудно да бъде формулирано и комуникирано, често е персонално знание. Рисуването е пример за такова неявно знание. Трансформирането на неявното знание в явно знание създава ново знание.  Това трансформиране може да става в ускорени темпове чрез невербално обучение. Съвсем най-накрая не си и помисляме да споделим с вас, че невербалното обучение може да е, например, наблюдение на позицията на четката и на движенията на ръката на опитен художник, което да бъде имитирано от обучаващия се. Такъв вид невербално обучение може да бъде използвано и при обучение на интелигентни мехатронни системи – например при обучение на роботи по метода на пробата и грешката за извършване по-добре на изискуемите от робота манипулации.Та, така. В допълнение - защо да ви надуваме главата с мдействието на контролни технологии?Обаче, вероятно все ще се намери някой предател в нашите редове, който да ви извести тихичко, че съвременната теория на контрола на сложни мехатронни системи е свързана и със сложни софтуерни продукти – то ние казахме да включите двигателя на спътника, ама –я, се опитайте да го направите без подходящ софтуер и телекомуникации. Е, можете да пуснете изрусенатаБърборина да бърбори срещу спътника в небесата, ама от това двигателят му няма да се включи, колкото и да си вярва Бърборината, че е права и ще му заповяда да се включи (щото иначе, ако не слуша, може да му тропне с крак). Та тези софтуери имат едни работи, дето се наричат graphics-user interface (такива едни програмки, дето ви показват бутончета за щракане по екрана на компютъра или пък с нежен глас ви съобщават „Жена ви, господарю“, когато големият шеф ви се обажда да ви напомни като се прибирате от работа да минете през магазина и да купите 2 хляба и половин кило маслини). И тъй нататък, и тай нататък.

              И като караме нататък, стигаме до изкуствения интелект.Хайде, няма да ви покажем Терминатора, за да не уплашим някого, но има една тенденция светът да се движи в посоката, показана на фиг. 14.

Фигура 14. Кой пък да знае! Еволюцията може да продължи и така!

^{Фигура 15. Кой ли не е виждал по телевизията миловидни роботчета подобни на това от картинката.}

А пък зад тези миловидни нещица седи един голям раздел от математиката, имащ доста връзка с биологията и наречен теория на невронните мрежи – фиг. 16.

^{Фигура 16. Реалната невронна мрежа изглежда горе – долу така. Математическата невронна мрежа имитира до известна степен реалната невронна мрежа. Математическата невронна мрежа може да се учи и има памет. Каква е целта на всичко това ли? - вижте фиг. 17 и текста по-долу.}

^{Фигура 17. Една от мечтите на мехатрониката. Дали ще се осъществи, никой не знае, но пък идеята е привлекателна и стимулира изследванията от областта на невробиологията до математическата теория на невронните мрежи.}

Та, сложните системи (повечето) имат контролен център, който при някои видове сложни биологични системи се нарича мозък (да, и „бърборещите стратези на развитието на науката“ в България го имат, но то е за естетическо украшение на частта от тялото, чиято главна функция е да поддържа устата да не изпадне и то е важно, че „стратегът“ без мислене може да мине, ама без ядене – трудна работа).  Та, интелектът в мехатронните системи, основан на невронните мрежи позволява на тези системи вече да извършват доста сложни дейности, да се обучават и да заместват хората в дейности, които са опасни за здравето или „хамалски“, както е приказката у нас.  Невронните мрежи позволяват на мехатронните системи да преодоляват препятствия, да разпознават предмети и да общуват с други мехатронни системи и с хора (пък и с животни). С други думи- невронните мрежи могат да подпомогнат развитието на колективно поведение при мехатронните системи и да свържат тези системи в сложни, коопериращи се мрежи. В тези мрежи пък възниква необходимост от едно друго нещо, наречено синхронизация на действията. И тази синхронизация се достига и с помощта на един дял от теоретичната нелинейна динамика, наречен теория на синхронизацията. Който дял е започнал да се развива преди „доста-стотин” години, след като е била забелязана синхронизацията на механичните часовници. И е стигнал до днес, когато има математични методи за синхронизиране на какво ли не. Ех, да можеше тези методи да се приложат, за да се синхронизират допотопните разбирания за развитие на българската фундаментална и приложна наука със съвременните такива! Но това си остава една мечта – дебелата глава на българския управленец има близка до нула вероятност да се синхронизира с някоя полезна модерна идея. Интересното е, че под действие на зелена шума същата тая глава може да се синхронизира с всякаква глупава съвременна идея, включително и с тази- да си свали гащите и да чака някой чуждестранен инвеститор да дойде да го „оправи“. Но за тези странни феномени в нашето ежедневие ще говорим друг път и на друго място.

              Та, като ще учим мехатронните системи на ум и разум, редно е да използваме и постиженията на съвременната математическа теория на информацията и да се основаваме на моделите, свързани с производството на знания, включително и на тези, свързани с производството на научни знания и тяхната оценка. Тука в татковината се наблюдава весела картинка на уж образовани и заявяващи, че са големи учени хора, пък като ги туриш да управляват научните системи – пълна скръб. То е защото, както е казал народният мъдрец, не става само с перчене, че си голям учен с голям индекс на Хирш (за тоз индекс ще ви разкажем в някоя от следващите ни статии), трябва и акъл -да отбираш от това как се оценяват и как се управляват сложни научни системи. Щото иначе – пишман-реформи, пишман-реформи, финансиране на дискурси на дамско бельо, тоз да усвои парата, онзи да усвои парата – и накрая – нищо.

              Та, да се върнем на изкуствения интелект. В мехатронните системи може да има повече или по-малко от него. Поради това, мехатронните системи могат да са по-малко интелигентни или повече интелигентни, тоест могат повече или по-малко да имитират човека при разни действия или взимане на решения. Достатъчно интелигентните мехатронни системи са способни да решават задачи без да им се задават всички детайли по началните и граничните условия и без да им се свеждат експлицитни алгоритми, водещи към решението. Изкуственият интелект е широко използван в процеса на вземане на решения с цел подпомагане или дори заместване на човешкия фактор при решаване например на сложни или опасни за човека задачи. Околната среда на съвременните производствени системи е доста сложна и повечето от процедурите, вградени в съответните технологии са повтарящи се. Прецизни контролни системи трябва да осигурят  ефективното функциониране на съвременните производствени системи. И този контрол често трябва да бъде осъществяван при липса на  човешки оператор. Това е то, което налага разработката на мехатронни системи с изкуствен интелект, които да подпомагат хората в производствените процеси.

              Мехатронните системи с изкуствен интелект често трябва да търсят това или онова (информация или пък някакви предмети). А това търсенесе основава на различни алгоритми и един много широк клас от такива алгоритми е основан на математическата теория на генетичните алгоритми (абе, ние искаме, много искаме да сме в крак с Бърборините и Бърборинките, дето бърборят, че полза от науката нямало, ама какво да правимзследвания.Ето сега – почти успяхме да избягаме от това, което се нарича fuzzy logic, ама се набихме в теорията на генетичните алгоритми. Не в теорията на генетичните блондинки, а в теорията на генетичните алгоритми). Та, генетичните алгоритми са алгоритми за търсене, основани на механизмите на естествения отбор. Изследванията върху генетичните алгоритми се концентрират върху устойчивостта на алгоритъма и върху баланса между ефективността и успеха на алгоритмите при работа в различните условия, в които са поставени. Генетичните алгоритми са 3 вида: основани на компютърни пресмятания, стохастични алгоритми иедин вид алгоритми, на които из англосаксонските страни им казват enumerative.  Алгоритмите, основани на компютърни пресмятания биват директни (основани на добре определени изчислителни процедури, които приемат входни стойности на набор величини и на изхода задават стойности на изходния набор от величини) и индиректни (те са основани на търсене на локални екстремуми на основата на решаване на системи от нелинейни уравнения). Пример за директни алгоритми са сортиращите алгоритми. Генетичните алгоритми имат простра структура – те не съдържат нищо друго освен копиране на низове от данни и размяна на местата на такива низове.Генетичните алгоритми включват операциите: репродукция, размяна (crossover) и мутация. Репродукцията е процес, при който низовете се копират спрямо техните обективни функционални стойности.  Размяната може да е както на местата на низовете, така и частиот низовете вътре в низовете. Мутацията е промяна в някои от елементите на низовете, като тази промяна обикновено не е голяма (от порядъка на малки части от процента).Генетичните алгоритми, основане на тези три операции, са в състояние да се справят с широк набор от оптимизационни задачи.

              Завря ли ви главата? Виждате ли сега защо изрусените политически каки мразят учените? Щото на каката като й кажеш генетичен алгоритъм и тя почва да си мисли за аху-иху и уци-куци. Път то генетичният алгоритъм е друго нещо. И като види каката, че не е в час и почва – мръсни учени, феодални старци, такованка, нереформирани, ще им държим ниски заплатите и каквото още се сетите там. И докато каката си мечтае за аху-иху и уци-куци, добрите учени си взиииимат куфарчето и тихичко отиват да работят по земите, където изрусените каки с аху-ихуто и уци-куцито никой не ги брои за нищо. Пък каката се чуди, как тъй, като мръдне на 50 километра от София в западна посока, никой вече не я брои за нищо. Бадева се е изрусила. И стига до извода, че западняците са също толкова тъпи, колкото и българските учени. Ех, сега, някои невронни мрежи могат и да сработят дефектно, то е човещинка, не е мехатронна система.

              Та след този разпускащ абзац, нека се върнем към онази част на мехатрониката, която се нарича микросистемно инженерство. Какво ли пък е това? - ще попитате.Ей това – фиг. 18.

^{Фигура 18. Примери за микросистемно инженерство. Имаше наченки на това и у нас някога, преди да дойдат изрусените каки и бърборещите „разбирачи от стратегии за развитие на наукака“. Много е полезно за мехатрониката. Но, както ви казахме у нас бе надлежно съсипано и предадено за скрап, а с парите този – онзи си купи по някой хотел на морето, повечето от които фалираха, щото така е при капитализма. Пък народът купува продуктите на западното микросистемно инженерство и се чуди защо е беден. Ми то е просто – произвеждаш и продаваш – парата иде при тебе. Не произвеждаш и купуваш чуждо – пълниш джоба на западняка, а той на работниците си. И подсмърчаш, подсмърчаш сополя и се чудиш защо си беден. Но след като на повърхността на едно управленско море преобладават шамандурите, какво да очаква човек. Те шамандурите трябва да плават и затуй са кухи.}

Микросистемното инженерство включвадизайна, производството и опаковките на микро-електро-механични системи (MEMS), които имат приложения в автомобилната, аерокосмическата и  фармацевтичната промишлености, в телекомуникациите, в областта на опазването на околната среда и в здравеопазването и т. н.Погледнато по-общо, до известна степен MEMS, нанонауките и нанотехнологията са подразделения на мехатрониката. Нанонауките се занимават с изучаване на фундаменталните принципи, управляващи свойствата и поведението на молекули и структури с характерни размери от 1 нанометър до стотици нанометри. Структури с такива характеристични размери се наричат наноструктури.Нанотехнологията се занимава с приложението на наноструктурите в полезни наноразмерни устройства.   MEMS се занимават със структури с характерни размери между 1 000 и 1 000 000 нанометра, т.е. със структури, по-големи, отколкото са структурите, изучавани от нанонауките. Нанонауките се занимават с всички свойства на наноструктурите – механични, химични или пък биологични. Нанотехнологиите могат да бъдат категоризирани в стотици полета на приложение.

^{Фигура 19. Микро-електро-механично устройство (контактна леща) за подсилване на човешко око.}

^{Фигура 20. МЕМS микрофони.}

Особено интензивно в последните години е развитието на микрофлуидните мехатронни устройства, които се очаква да намерят голямо приложение при развитие на многобройни биотехнологии. Очаква се след 3 години пазарът за такива микрофлуидни устройства (виж например фиг. 21 и фиг. 22) да надмине 6 милиарда долара.

Фигура 21. Микрофлуидна ферма за развъждане на бактерии.

Фигура 23. Микрофлуидно устройство, използващо течене на флуиди, съдържащи полимери.

Микрофлуидиката далеч не е единственото приложение на механиката на флуидите в мехатрониката. Нека не забравяме хидравличните (използващи течности) и пневматичните (използващи газове) системи, без които безколесното придвижване на по-тежките части на мехатронните системи трудно би се осъществило.

Няколко заключителни думи

Хайде, стига толкова за мехатрониката. Темата е тъй обширна, че книги до тавана по нея могат да се напишат.Както видяхте, по света, че и у нас се извършват перспективни изследвания в областта на мехатрониката. Добре де, ще кажете, след като извършвате такива перспективни изследвания, защо ви хулят и псуват и защо ви обиждат? Нека да ви отговорим на този въпрос, драги читатели със следното нещо в източен стил: за прасето една златна статуя на Буда, висока да небето, няма стойност. За прасето има стойност само това, което то може да оплюска. На днешните български интелектуални прасенца невронните мрежи са отдавна дефектирали и тене се интересуват от наука. Виж от окрадване на парите за наука се интересуват от няколко години насам. Политкоректни добри хорица (за които в Германия има специална дума – die Gutmenschen) кротко разпределят парите за наука, както си знаят. Вече 27-ма година чакаме „великите им идеи“ да хванат дикиш, както се казва. А резултати няма и няма. Защо ли няма - ще попитате? Ами ето ви подсказка – за това как се прави синхронизация и контрол на сложни системи ви пишем ние, а не някой от добрите хорица. Ако оставите тези добри хорица, те ще си дрънкат същите глупости по телевизиите и ще си правят същите глупости, както и досега и няма да забележат как и последният свестен български учен ще изчезне. И ще остане блатото на добрите хорица. А в това блато никаква модерна мехатроника няма да вирее. И никаква модерна наука няма да вирее. И ще продължава така 100 години. И ще продължава така 200 години. Може пък това да е целта на играта, но ние не го щем това. И затова ви запознаваме с модерната наука. И тихичко ви нашепваме с немощните си гласове на феодални старци - „Не бъдете прасета“.