De la automatele mecanice la robotul umanoid - repere semnificative

Intentia omului de a crea o structura artificiala asemanatoare cu sine este una dintre cele mai vechi, care s-a mentinut constant in atentia celor mai profunzi si creativi savanti de-a lungul istoriei si parcurge in prezent o perioada de interes maxim. Din perspectiva istorica, primul automat (termenul provenind din grecescul automatos - care se misca singur) mecanic humanoid poate fi considerat legendarul Talos (Fig. 1). Acesta, descris in mai multe texte din antichitate, avea o structura mecanica asemanatoare omului si era actionat de un lichid special. Dupa unele texte, Talos a fost faurit probabil din bronz, de Hefaistos si ciclopi, si dat in dar regelui Minos al Cretei. Talos avea rolul de a apara Creta de eventuali invadatori, dar si de a opri pe localnici sa paraseasca insula fara voia regelui si de a se asigura ca legile regelui sunt respectate. Pentru aceasta, el patrula prin insula, dand si ocol Cretei de trei ori pe zi, ceea ce presupune o viteza de 350 km/h, ceva inca imposibil chiar si in prezent. Pentru a functiona, Talos se baza pe o singura vena rosie, mai probabil o retea de vene, dispusa sub o piele artificiala, mai bine spus o platosa, care pornea de la gat si ajungea la calcai, fiind inchisa cu un cui de bronz.
Cuiul era sigilat in ichorul divin (un fel de sange al zeilor), iar lichidul din vena permitea membrelor de metal sa se miste. Calcaiul era singurul punct vulnerabil al corpului sau. Talos si-a pierdut functionalitatea cand Medeea i-a dat o bautura care l-a adormit, si ea a scos cuiul de bronz astfel ca lichidul din vena s-a scurs. Chiar daca Talos probabil nu a existat fizic, a fost totdeauna un punct de plecare pentru realizarea unor variante reale.
Grecii, de altfel, au fost preocupati constant de a realiza automate mecanice dintre cele mai complexe. Astfel se poate aminti ca in anul 350 i.Hr., matematicianul Arhitas a construit o pasare mecanica, denumita Porumbelul, care functiona cu abur. Apoi se mai consemneaza ca in anul 322 i. Hr., Aristotel a scris, prefigurand dezvoltarea automaticii mecanice, in acceptiune actuala a roboticii: „Daca fiecare unealta ar putea face, la ordin sau din proprie initiativa, munca ce i se potriveste... atunci n-ar mai fi nevoie nici de ucenici pentru lucratorii mesterului, nici de sclavi pentru stapani“. Totodata, Ctesibios din Alexandria si Philon din Bizant au descris mai multe automate umaniforme si animaliforme. De asemenea, Heron din Alexandria a descris si un grup de marionete care erau folosite la spectacole teatrale in miniatura si care functionau cu un sistem complex de contragreutati si piese mecanice de tipul parghiilor si chiar rotilor dintate.

Automate mecanice antice
Pana in perioada Renasterii, in jurul anilor 1500, nu se mai cunosc date despre alte variante de automate humanoide, insa progresele in acest sens s-au facut continuu. Pentru a arata ca interesul pentru realizarea omului artificial s-a mentinut constant din antichitate, inclusiv pana in prima parte a evului mediu, se aminteste realizarea golemului, o fiinta artificiala, de catre rabinul Judah Loew ben Bezalel, care a trait la Praga in secolul al XVI-lea, pe care ar fi creat-o cu ajutorul puterilor oculte cu care se spune ca era inzestrat.
De asemenea trebuie mentionate automatele mecanice complexe, care au fost realizate inclusiv in Imperiul Roman, denumit destul de recent Imperiul Bizantin, functionale in jurul anului 900, descrise de Liutprando da Cremona, diplomat la curtea imparatului Constantin al VII-lea, la care ajunge in anul 949. Acesta descrie o camera denumita Magnaura (in traducere Zefirul cel mare) in care a vazut doi lei mecanici cinematic activi, realizati la scara 1:1, care flancau tronul imparatului de la Constantinopol, tron care putea fi ridicat si coborat, si pasari mecanice care ciripeau. Evident ca aceste realizari trebuie puse in legatura si cu Universitatea din Constantinopol, care ajunsese in acea perioada o institutie stiintifica de mare anvergura, nivel la care s-a mentinut pana la cucerirea Constantinopolului, in 1453. Merita evidentiat si faptul ca o parte a acestei descrieri a fost preluata si prezentata, sub titlul Robotul bizantin, de cunoscutul scriitor Umberto Eco, in volumul intitulat Istoria taramurilor si locurilor legendare, publicat in 2013 si tradus si in limba romana. Sigur ca multe dintre realizarile Universitatii din Constantinopol s-au transferat in vestul Europei, in special in zona actualei Italii. Se mai poate mentiona ca Universitatea din Constantinopol a fost fondata de Imparatul Teodosie cel Mare, in anul 425. Initial a avut 31 de catedre, departamente, orientate pe stiinte teoretice, dar si aplicative, precum: medicina, geometria, astronomia si mai tarziu stiinte tehnice, inclusiv mecanica. Cronologic, aceasta trebuie recunoscuta ca prima Universitate europeana de anvergura, comparativ cu cea din Bologna, uzual considerata astazi ca cea mai veche din Europa, care totusi a fost fondata numai la 1118.
In acest context, este mai usor de explicat incercarea destul de reusita a lui Leonardo da Vinci de a crea un leu mecanic, dar si un cavaler medieval in armura mecanic. Robotul, daca putem sa-l denumim astfel, era un luptator care putea sa faca mai multe miscari: sa se aseze, sa isi miste bratele, gatul si vizorul castii metalice. Pentru a realiza aceste miscari se foloseau role si cabluri (Fig. 2).
Aceasta ultima realizare poate fi considerata totusi precursorul robotului umanoid din prezent. In perioada urmatoare, dupa anul 1500, au existat multiple incercari de a realiza diverse automate care sa imite activitatile, in special artistice, ale omului, de o complexitate si o functionalitate remarcabile. Se evidentiaza astfel Cantaretul din flaut al lui Vaucanson (realizat si expus la Louvre, in 1738) si Cantaretul din tamburina realizat in acelasi an. Cantaretul din flaut se remarca prin constructia deosebit de complexa, care se baza pe un cilindru lung de un metru si cu diametrul de 1,56 metri, care continea, in relief, sub forma de came, comenzile necesare functionarii, in succesiunea necesara, care mai departe se transmiteau prin mecanisme. Existau 15 leviere dintre care 8 serveau la modificarea aerului suflat (trei pentru controlul presiunii aerului, unul pentru miscarea limbii si patru pentru miscarea buzelor), iar 7 serveau la comanda degetelor (trei pentru mana stanga si patru pentru mana dreapta). Automatul era pus in miscare de un motor, bazat pe acumularea energiei de tip pendul. Ingenios era si faptul ca datorita a trei rezervoare plasate in interiorul toracelui se puteau obtine trei intensitati ale curentului de aer. Pe degete erau lipite portiuni de piele adevarata. Flautistul putea interpreta 12 melodii care durau un sfert de ora. Realizarea unor structuri artificiale de acest fel a fost pentru Vaucanson pasiunea vietii sale. Astfel, a urmarit realizarea unui sistem circulator artificial, a incercat posibilitatea vorbirii artificiale (prin realizarea unei mandibule, a buzelor si a unei limbi artificiale), ajungand la ideea unui automat capabil sa articuleze vocalele.
Nu mult mai tarziu a fost realizat automatul capabil sa scrie un text: Scriitorul lui Pierre Jaquet Droz (1768); Cantareata la clavecin de acelasi maestru (1768), ambele aratate in Fig. 3, Cantareata la timpan de Kintzing (1774) etc.
Sistemele automate din aceasta perioada se caracterizeaza prin finetea detaliilor, precizia de realizare practica si de inalta functionalitate, chiar daca limitata in timp. Multe dintre solutiile folosite au fost dezvoltate pe baza sistemelor utilizate la ceasurile mecanice, care in aceasta perioada au atins niveluri foarte ridicate de complexitate, si pe alte dispozitive, cum ar fi cele de navigatie. O parte importanta a solutiilor utilizate in aceste automate a fost apoi aplicata cu succes in revolutia industriala din secolul al 19-lea.

Automate din perioada post-Renastere, pana la inceputul secolului XX
Din perioada imediat urmatoare se mai poate aminti realizarea chiar a unor orchestre mecanice, prima este atribuita lui Maelzel, pentru care insusi Beethoven a compus prima parte a compozitiei Opus 91, Victoria lui Wellington. Aceste orchestre cuprindeau flaute, clarinete, trompete, triangluri si corzi, care erau actionate prin conducte cu aer si ciocanele. Un violonist mecanic, inspirat probabil dupa automatele lui Maelzel, a fost prezentat in anul 1838 la Conservatorul din Paris, si a fost considerat un adevarat succes.
O alta dorinta exprimata in perioada automatelor medievale era realizarea unui automat capabil sa joace sah, ceea ce s-a concretizat intr-o forma suficient de performanta, la inceputul secolului XX, de catre Leonardo Torres y Quevedo, inginer si matematician spaniol.

De la automatele mecanice, la robotii umanoizi actuali
Dupa o oarecare acalmie in aceasta directie, preocuparile vor fi reluate relativ intens la jumatatea secolului al XX-lea, dupa lansarea conceptului de robot, de catre Karel ?apek in piesa de teatru R.U.R., in 1920, prin realizarea mai multor automate mecanice umanoide, insa destul de rudimentare. Startul adevarat al realizarii unor, de aceasta data, roboti umanoizi, activitati care continua si in prezent, cu mare perspectiva in viitorul chiar apropiat, s-a dat in anii 70 in Japonia, care a culminat cu realizarea robotului arhicunoscut ASIMO, in continua perfectionare si in prezent.

Modularizarea robotilor umanoizi
In acest context se poate mentiona ca robotul umanoid poate fi abordat si din perspectiva modulara, fiind format din: modulul capului, modulul trunchiului, modulul bratelor si modulul de deplasare (membrelor inferioare, in cazul robotilor bipezi), aspecte detaliate si in lucrarea Elemente de Robotica Medicala si Protezare, la care se va mai face referire. Fiecare modul poate fi dezvoltat relativ independent cu conditia ca, in final, sa se obtina un ansamblu unitar si totodata deosebit de functional. Referitor la implicatiile modularizarii se pot mentiona cele doua conceptii sub care se poate interpreta organismul uman. Prima conceptie este cea traditionala, conform careia corpul uman este un sistem complex care este format la randul sau din mai multe subsisteme: subsistemul circulator, subsistemul respirator, subsistemul nervos, subsistemul digestiv etc. Aceste subsisteme sunt mai mult sau mai putin interconectate, dar pot fi abordate relativ separat, referitor la realizarea unor componente artificiale, cum ar fi ochiul bionic sau inima artificiala, sau din perspectiva aplicarii unor terapii sau tratamente, care sunt oarecum orientate precis spre unul dintre aceste subsisteme sau unele componente ale lor, cum ar fi operatia pe inima, sau un anumit tratament. A doua conceptie, pe care am prezentat-o in anul 2005 in cartea Elemente de Robotica Medicala si Protezare, considera ca exista o materie superior organizata, materia cerebrala, sub forma creierului uman, care este deservita de mai multe structuri si subsisteme, pentru interactiune cu mediul: simturile pentru receptia stimulilor externi, membrele pentru deplasare si manipulare; pentru procesarea substantelor chimice necesare vietii: diversele organe interne (ficat, pancreas, rinichi etc.) sau chiar subsisteme ca: subsistemul circulator, subsistemul respirator etc. Din aceasta perspectiva, creierul este centrul de coordonare a intregului organism implicit pentru mentinerea starii optime de functionare si revenirea la aceasta in cazurile aparitiei unor disfunctionalitati. In Fig. 4 este aratata o schema simplificata a acestei abordari.
Considerand structurile si subsistemele care deservesc creierul module, se poate admite ca oricare poate fi inlocuit cu o varianta adecvata artificiala. Astfel, se deschide perspectiva omului bionic, la care creierul natural sa fie deservit de mai multe sau mai putine subsisteme artificiale, omul protezat partial, dar si perspectiva robotului umanoid cu creier uman. Referitor la acest aspect, experimentele actuale referitoare la transplantul de cap (http://en.wikipedia.org/wiki/Head_transplant) trebuie corect considerate ca transplant de corp, creierul fiind partea esentiala care asigura controlul si functionarea noului corp, conform comenzilor generate de acesta. Deschiderea perspectivelor robotilor dotati cu creier este deja facuta prin mai multe experimente in derulare, ca cel descris pe http://www.sciencegadget.com/will-selfconscious-robot-be-the-next-naturalevolution, si care se refera la realizarea unui robot mobil comandat printr-un creier de cobai.
In prezent, exista mai multe realizari in domeniul robotilor umanoizi. Acesti roboti, cu toate ca difera substantial de organismul uman, ca si model de referinta, au unele caracteristici care le apropie de acesta. Astfel, robotul ASIMO (Fig. 5), varianta din 2014, este un robot umanoid, asemanator insa mai mult cu un cosmonaut, cu 57 grade de mobilitate, de 1,30 m inaltime, cu o greutate de aproximativ 55 kg, cu o viteza de 9 km/ora (inclusiv poate merge pe scari si in pante si chiar dansa), care vorbeste si intelege japoneza si engleza, poate face o prezentare, poate reactiona la anumite gesturi umane, poate manipula diverse obiecte si este capabil sa dea mana.

Variante semnificative de roboti umanoizi
In continuare, se prezinta cateva aspecte semnificative pentru a crea o imagine sugestiva a roboticii umanoide din prezent. Mai intai semnalam intentia, deja partial materializata, a unei companii din Japonia de a angaja 1000 de roboti pe post de vanzatori la magazinele sale, pentru a vinde masini de facut cafea. Acest robot, denumit Pepper (Fig. 6), este inalt de 120 cm, se deplaseaza pe role, are o tableta-consola de interactiune pe piept, intelege 70-80% din conversatiile spontane, si se estima ca va fi comercializat la pretul de aproximativ 2000 de dolari bucata, incepand din prima parte a anului 2015. Robotii de acest tip lucreaza, deja, in peste 70 de magazine de telefonie mobila detinute de SoftBank in Japonia, in prezent slujba lor fiind aceea de a intampina clientii.
Un alt robot este Robroy, considerat unul dintre cei mai avansati roboti umanoizi, realizat la Universitatea din Zurich. Acesta este un robot modelat dupa structura umana, avand pentru actionare tendoane asemanatoare cu cele umane. Este un robot destinat sa execute servicii in mod independent pentru oameni, impartind spatiul de activitate cu acestia. Este dotat cu o piele artificiala, care ii asigura o integrare mai buna in mediul in care va activa alaturi de operatorii umani. In general, robotii umanoizi bipezi, sau partial umanoizi, pe role, se preconizeaza sa fie folositi ca bone, infirmieri, personal medical pentru situatii de urgenta, ospatari, soferi, asistente, contabili, vanzatori in magazine, personal hotelier, personal de marketing etc.
In acest context, este sugestiva declaratia cunoscutului Bill Gates, care a sutinut ca: Substituirea prin programe software, indiferent ca e vorba de soferi, ospatari sau asistente... se intampla in acest moment. Tehnologia, in timp, va micsora oferta de locuri de munca, mai ales pentru oamenii care nu vor fi foarte instruiti. In 20 de ani de acum incolo, oferta de munca pentru o multime de meserii va fi substantial redusa. Nu cred ca oamenii inteleg asta. De asemenea, futurologul Ray Kurzweil, care a scris mai multe carti despre singularitatea tehnologica (momentul in care inteligenta artificiala va detrona mintea umana), estimeaza ca masinariile vor fi mai inteligente decat oamenii pana in 2029 si in 2045 vor fi de miliarde de ori mai puternice in comparatie cu inteligenta umana. Acelasi autor anticipeaza transformarea din Homo sapiens, intr-un viitor nu foarte indepartat, in Cyber sapiens, creaturi hibride partial biologice partial digitale.
Aceste aspecte ne conduc spre scenarii in care piata muncii va fi complet transformata de programele de calculator si roboti, chiar daca oamenii isi vor depasi limitele fizice cu ajutorul unor dispozitive mecatronice deosebit de evoluate cum sunt exoscheletele, dar si cele senzoriale si intelectuale cu ajutorul dispozitivelor de crestere a capacitatilor vizuale si auditive, si chiar de crestere a capacitatilor cognitive. In aceste conditii, se poate mentiona ca tot mai multi oameni profita de ultimele descoperiri tehnologice pentru a-si imbunatati corpul si simturile cu diverse gadgeturi-dispozitive, piese si mecanisme mecatronice, putand spune ca se pun astfel bazele unei adevarate specii noi: Homo Roboticus.
In acest context, robotul umanoid va deveni un companion obisnuit al omului, fiind nelipsit din imediata lui apropiere atat in mediul casnic, ca robot de companie si sustinere, cat si in cel al serviciului-jobului, ca partener in rezolvarea sarcinilor specifice activitatilor din majoritatea companiilor pe care le cunoastem in prezent.
Astfel deja, in prezent, robotii utilitari sunt folositi pentru o gama larga de servicii printre care supraveghere si curatenie atat in gospodarii, cat si in spitale si aziluri. Totodata, tinand cont ca populatia globului imbatraneste, acest gen de roboti vor putea sa ajute de asemenea la asigurarea autonomiei persoanelor in varsta. Alte domenii de real interes pentru robotii umanoizi sunt cele ale divertismentului si sporturilor. Sunt in curs de realizare, sau deja realizate, mai multe tipuri de roboti care pot practica diverse activitati artistice, cum sunt robotii ce pot canta la diverse instrumente: flaut, vioara etc. - variante moderne ale automatelor medievale. De asemenea robotii destinati sa practice diverse sporturi, mai ales fotbal, sunt de certa actualitate, fiind deja organizate campionate de fotbal pentru echipe de roboti, chiar se preconizeaza ca robotii sa aiba propriile lor jocuri olimpice, China dorind sa organizeze prima editie, in orasul Harbin.

Piata robotilor umanoizi
Pentru a se realiza in practica cele prezentate este nevoie de fonduri considerabile, dar si de existenta unei cereri considerabile de roboti, ceea ce pare fezabil, conform directorului companiei InnoRobo, Brunn Bonnell, care afirma cu mai mult timp in urma ca, pentru perioada 2010 - 2013, se estima vanzarea a 6,7 milioane de unitati, ceea ce s-a si realizat intre timp. In ceea ce priveste piata roboticii, aceasta s-a dublat din 2005, ajungand la 24,9 miliarde de dolari in 2008, si se prevede triplarea ei pana in 2025, cand va atinge aproximativ 75 de miliarde de dolari (Fig. 7).
De asemenea, se preconizeaza ca robotii umanoizi de companie vor fi urmatorul pas major in electrocasnicele de larg consum. Din categoria robotilor umanoizi mai fac parte si robotii: Poppy, BioRob 2008, NAO, Icub, PETMAN, Aiko, Kobian, Albert Hubo, Roboray, Romeo etc., fiecare avand diverse particularitati constructive si functionale care tind sa ii aproprie cat mai mult de modelul uman (Fig. 8).
Un domeniu deosebit de provocator este acela al realizarii unor roboti umanoizi care sa fie chiar greu de deosebit de oameni. Este un domeniu pe cat de provocator, pe atat de real si de mare perspectiva, care va putea sa schimbe fundamental societatea umana asa cum o cunoastem astazi. Ca exemplificare se prezinta ultima realizare a profesorului japonez Hiroshi Ishiguro, de la Universitatea Osaka, si anume robotul denumit Geminoid F (Fig. 9). Acesta poate zambi, isi poate misca gura in timp ce vorbeste si canta si poate simula 65 de expresii faciale, precum cele care exprima amuzamentul, ca si starile enigmatice, isi poate ridica sprancenele cu ajutorul unui numar de 12 structuri motoare aflate sub „pielea“ artificiala din material plastic. Pretul acestui robot, expus in prezent intr-un centru comercial din Hong Kong, este de 110.000 dolari, un pret inca foarte mare, dar cu siguranta va scadea vertiginos in urmatorii ani. Evident ca un astfel de robot poate fi si actor, profesie care se adauga celor deja precizate ca ar putea fi indeplinite de roboti.
In finalul acestei prezentari trebuie precizat ca preocupari in realizarea unor roboti umanoizi au existat si in tara noastra, care au ramas, din pacate, la nivel de intentie. In acest context, amintesc monografia Elemente de Robotica Medicala si Protezare, pe care am publicat-o in anul 2005, si care are un capitol intitulat Robotul umanoid - Robot sapiens, in care se face o prezentare a nivelului acestui domeniu in perioada respectiva, cu intentia de a genera preocupari si realizari concrete, inclusiv folosind unele dintre solutiile personale prezentate. De asemenea, mai amintesc propunerea pe care am facut-o in cadrul Scolii de vara: Scoala Internationala de Robotica si Sisteme Inteligente - ISRIS: International School on Robotics and Intelligent Systems, de la Iasi, din 2009, si anume aceea de a se demara un proiect amplu integrat de realizare a omului bionic cu doua directii de concretizare: protezarea cvasiintegrala a corpului-organismului uman si realizarea unui robot umanoid performant, care ramane inca de actualitate, sub titulatura: Total Prosthesis Application in the Human Body - an Innovative Concept for Rehabilitation and Humanoid Robots. Anatomic and Physiological Bases and Technical Solutions.
Evident ca, in perioada urmatoare, astfel de preocupari pot fi si in atentia cercetatorilor, inginerilor roboticieni si, implicit, mecatronisti dar nu numai, atat din domeniul academic, cat si din cel al productiei, implicit al potentialilor producatori de produse mecatronice din Romania, piata pentru astfel de produse, cum se poate deduce din datele prezentate mai sus, avand un potential in viitorul apropiat foarte incurajator.
Precizare: o varianta in limba engleza a acestui material a fost publicata in Journal of Mechanics Engineering and Automation - JMEA, nr. 5 pe 2015, editat de David Publishing Company din SUA (www.davidpublisher.org/Home/Journal/JMEA).