Чи були роботи до появи електроенергії? Частина 1

Ми звикли вважати роботів сучасними винаходами. Але мало хто знає, що й в далекій давнині існували справжнісінькі роботи, які вміли виконувати найскладніші дії. Ми зібрали добірку проектів від інженерів, які мріяли замінити ручну працю або здивувати публіку.

Поняття «робот» вперше з’явилося у чеського письменника Карела Чапека (Karel Čapek) у 1920 році в п’єсі R.U.R («Росумські універсальні роботи»). З чеського слова robota перекладається як «тяжка робота» або «каторга».

Роботи в Чапека – це штучні люди вартістю $120, що займають нижчі посади та відповідальні за будь-яку тяжку роботу, включаючи народження людських дітей та участь у війнах.
При цьому роботи у п’єсі виглядають як люди, що здатні мислити та відчувати, що зближує їх з «андроїдами» – автоматами людського вигляду.

Сьогодні під роботами розуміється машина, яка сприймає, діє та комунікує. Під це визначення підходять як побутові прилади як робот-пилосмок, так і людиноподібні машини.
Але люди почали створювати прилади, які самостійно діють за допомогою парових, водяних та часових механізмів ще задовго до Чапека. Вони називалися автоматонами, та згадки про них зустрічаються у міфах.

Античні та середньовічні роботи

Артефактом, що передає рівень розвитку механіки еллінів являється антикітерський механізм — механічний пристрій приблизно біля II століття до нашої ери, піднятий у 1901 році з затопленого судна. Антикітерський механізм являв собою календар, карту сонячної системи, астрономічний годинник та вичислювальну машину, здатну визначати конфігурації руху відомих давнім грекам небесних тіл.

Реконструкція механізму, що був піднятий у 1901 році

Володіючи технологіями для виробництва «бортових комп’ютерів», античні інженери розробляли і менш витончені, але від цього не менш дивовижні пристрої.

Летючий механічний голуб

У IV столітті до н. е. математик та механік Архіт Тарентський розробляв автоматичний летальний апарат, котрий імітував політ голуба. Корпус пристрою був дерев’яним, порожнім всередині, циліндричної форми. З боків розташовувалось два великих та два маленьких крила. Автомат працював на паровій тязі. Передня частина конструкції була загостреною, ніби дзьоб у пташки. У задній частині голуба розташовувався отвір, через який його під’єднували до парового котла.

Коли в котлі починалося випаровування, тиск підвищувався та голуб підлітав. Політ продовжувався декілька сотень метрів, завдяки силі стиснутого повітря, що знаходився всередині цієї конструкції.

Реконструкція Museum of Ancient Greek Technology

Давньогрецький торговий автомат та запрограмований робот

Еллінський математик Філон Візантійський у 3 столітті до н. е. придумав механічну служницю, що наповнює чашу вином, змішуючи його з водою. Машина була величиною з людину, з посудом для вина в одній руці та з бокалом в іншій.

Реконструкція Museum of Ancient Greek Technology

Всередині автоматона був встановлений механізм, що переганяє воду та вино з резервуарів по спеціальних трубках. Механізм активувався, коли хтось ставив пусту чашу у вільну руку.

Цей автомат був описаний у дослідженні Філона, що був присвячений пневматиці. При житті Філон написав дев’ятитомний трактат, один з томів був присвячений автоматам та різноманітним механічним пристроям – весь трактат не зберігся, але декотрі з томів все ж залишилися цілими.

Математик Герон Александрійський, який жив біля І століття винайшов автомат для продажу води у храмах для ритуального омивання рук та обличчя. Механізм подачі води активувався, коли у приймач опускалась грецька монета номіналом 5 драхм – під тяжінням натискався важіль, що відкрив клапан.

Герон посилався на досвід Філона Візантійського – він також написав декілька робіт, присвячених механіці, серед котрих є праця про автомати. У цих замітках описуються механічні пристрої, створені для грецького театру, автоматичні пташки та побутові винаходи.

Герон у своїх проектах використовував в основному пар та воду. Яскравим прикладом водяного механізму Герона став «Геракл», створений італійським архітектором 17-го століття Джованні Батиста Алеоті в доповіді «Gli artificiosi et curiosi moti spiritali di Hero Alexandrinus».

Автомат представляв систему резервуара з водою – вони почергово наповнювались та приводили у рух фігури. Один резервував змушував дракона шипіти, інший – Геракла бити дракона дубинкою, третій пускав струмінь води з рота дракона в Геракла.

Вчений з Шеффілдского університету Ноель Шарки (Noel Sharkey) приписує Герону авторство першої «запрограмованої машини». Герон описав її в трактаті «Про автомати».

Це був мобільний театр на колесах, котрий автоматично виїжджав до глядачів та зупинявся, коли верхня частина механізму починала виставу. У кінці машина виїжджала зі сцени.

Ноеля зацікавило, яким чином Герон змусив театр самостійно їздити та змінювати траєкторію руху. Принцип виявився наступним: на колісний вал з вістрями намотувалась мотузка, а інший її кінець кріпився до свинцевого вантажу, який був піднятий на висоту.

Під тяжінням вантажу вал крутиться, а за допомогою вістрів можна було змінювати траєкторію руху. Цей спосіб дозволяв рухатися вперед, назад, повертатися направо та наліво, надаючи оператору багато варіантів.

Метод Герона схожий на сучасні мови програмування, котрі використовуються для створення конверсійних роботів.

Винаходи Ісламського ренесансу

Період середини VIII по середину XIII століття історики називають «золотим століттям ісламської культури» або «ісламським ренесансом»— тоді Арабський халіфат був найбільшою державою.

Вчені, філософи, лікарі та мудреці зібралися у Багдаді. Аббасидські халіфи Харун аль-Рашид та його син Абдуллах аль-Мамун заснували в Багдаді академію під назвою «Будинок мудрості».

Халіфи хотіли зробити грецькі тексти доступними для арабського світу, тому заохочували перекладачів. Їх ціль була в тому, аби зберегти грецьку спадщину арабською мовою в бібліотеці Будинку мудрості, а також підштовхнути розвиток медицини – в Халіфаті був попит на лікарів.

У VIII столітті арабський алхімік Джабір ібн Хайан (або ж Гебер), у своїх працях писав про деяку алхімічну ціль під назвою «Takwin», що означає процес створення життя. Невідомо що саме Гебер розумів під терміном цього слова, але можливо, це була мрія про створення штучної істоти.

Приблизно в IX столітті у бібліотеці Будинку мудрості працювали три брати Бану Муса. Вони були вченими у різних сферах, проте кожен з них цікавився механікою. Усі разом вони написали книгу знань про механічні пристрої «Кітаб аль-Хіял». Там було біля сотні пристроїв, декотрі з механізмів були оригінальними, а декотрі були взяті з праць Герона Александрійського.

Британський історик Гай ле Стрендж у своєму перекладі арабських хронік згадує, як візантійські посли, що прибули до Багдада в 917 році, описали побачені багатства – серед всього іншого в Багдадському палаці було срібне дерево, вагою більше тонни. Воно стояло посеред великого резервуара з водою. У дерева було 18 гілок, на кожній з яких було багато великих гілочок із золотими та срібними пташками. Усі пташки були різної величини та кожна по-своєму співала.

Схожий механізм бачив італійський дипломат Ліутпранд Кремонський, коли був на авдієнції в Константинополі в 949 році.

Механік-винахідник аль-Джазарі, що жив у 1136-1206 роках написав трактат «Книга знань про геніальні механічні пристрої», де створив інструкції по створенню та використанню 50 механізмів – колінчатого валу, водяного годинника, музичних автоматів та інших.

Серед автоматів була служниця для видобутку води, влаштована так само, як у Філона Візантійського, тільки без вина. До кожного винаходу була намальована ілюстрація та був коротенький опис.

Найвідомішим винаходом аль-Джазарі є годинник у вигляді слона. Автомат діяв за рахунок системи з водяним резервуаром, котрий був такого розміру, щоб наповнюватися рівно 30 хвилин.

Годинник з книги аль-Джазарі

Схожими технологіями користувалися греки та індуси. Вся конструкція була схована у фігурі слона, на якому стояла карета з правителем та поганяйлом.

На даху карети сиділи китайський дракон та єгипетський фенікс – у ті часи територія арабського халіфату сягала Середньої Азії та аль-Джазарі хотів підкреслити мультикультуризм світу.

Наповнення резервуара водою приводило алгоритм у дії.

У автомата існує декілька сучасних репродукцій: частина була створена у рамках проекту «1000 і 1 винахід», котрий гастролює по всьому світові, повнорозмірна копія представлена в торговому центрі Ibn Battuta Mall в Дубаї в ОАЭ.

Ще одну можна знайти в Музеї годинникового мистецтва у Швейцарському місті Ле-Локле та в Університеті науки та техніки в Саудівській Аравії.

Реконструкція годинника в Ibn Battuta Mall в Дубаї.

У 2019 році Слоновий годинник аль-Джазарі був відтворений для виставки UNIQ Expo в Стамбулі. Окрім слона, реконструйовані та інші автоматони майстра: музиканти в човні, пава, водяні годинники.

Фонтан для миття рук був створений у вигляді пави – вода надходила за допомогою важеля, який схований у хвості.

Крім того, аль-Джазарі розробив для зібрань при дворі механічних музикантів – декілька фігурок сиділи в човні та грали на барабанах і цимбалах.

Вони працювали завдяки гідравліці. Ноель Шаркі вважає, що цей механізм аль-Джазарі був програмованим. Шаркі відмічає в роботах аль-Джазарі закономірність методів Герона Александрійського – це було можливо завдяки перекладам браттів Бану Муса.

У машині аль-Джазарі також був вал з кілочками, як і в театрі Герона. В аль-Джазарі він активувався водою. Кілочки активували важіль, що керував руками барабанщика — а ритм барабана залежав від розташування кілочків.

Реконструкція механічних музикантів аль-Джазарі

Антропоморфні та самохідні механізми Відродження та Нового Часу

Механічні протези

У 1504 році при захопленні міста Ландсхута, під час міжособистісної війни між Боварією та Пфальцем, германський лицар Гьон фон Берліхінген втратив руку.

Тоді швейцарський годинникар Шарль Кузін виготовив для нього механічний протез, який здатен стискати пальці та тримати зброю. Залізна рука збереглася та знаходиться в музеї замку Ягдсхаузен. Рука була прикріплена до культі за допомогою ремінців та керувалася іншою рукою.

Проектуванням механічних протезів займався французький хірург Амбруаз Паре (Ambroise Paré) (1510-1590). У середньовіччя кінцівки ампутували за допомогою розпаленого заліза, що допомагало зупиняти кров, але дуже часто приводило до гангрени.

Амбруаз вперше почав застосовувати лігатуру – перев’язування судин шовковою ниткою. Це допомагало пошкодженим тканинам швидше відновлюватись. Паре вигадав заміну всім людським кінцівкам: дерев’яну руку, що здатна згинатися у лікті, кисть з рухомими пальцями, котра тримала перо, рухливу в коліні й гомілкостопі ногу. Він також придумав очні протези з золота та срібла.

Автоматичний монах короля Іспанії

За легендою, король Іспанії (з 1556 до 1598 рік) Філіп ІІ наказав придворному інженеру Хуанело Турріано виготовити заводного монаха у подяку Богу за зцілення сина.


Втім, відчуття подяки протривало недовго, незабаром Філіпп ІІ наказав арештувати сина та кинути його до в’язниці, де той помер.

Але заводний монах зберігся до наших днів та сьогодні він знаходиться в Смітсоновському Інституті в США.

Дерев’яна фігурка монаха висотою біля 40 сантиметрів. Автомат всередині імітує ходьбу — священник переміщається на колесах завдяки годинниковому механізму, але до автомату прироблені рухомі ступні. Священник одягнений у рясу, тому глядач бачить лише ступні, це створює ілюзію руху. Однією рукою механічний робот підносить до обличчя хрест для поцілунку, а інший вдаряє в груди.

Його рот постійно вимовляє беззвучні молитви, а очі бігають зі сторони в сторону. Такий робот міг постійно молитися за короля Іспанії, його потрібно було лише час від часу заводити.

Монахи роботизуються і сьогодні. Один з таких роботів проповідує в Пекіні в храмі Лунцюань.

В середньовіччі були поширені й інші «релігійні» автомати, які використовувалися на святах та в церковних ритуалах. Багато статуй та розп’яття містили всередині механізми, котрі забезпечували рух рук та виділяли кров з ран.

Особливо часто зустрічалися автоматони діви Марії. Одним з таких автоматів була la Virgen de los Reyes — дерев’яна фігура Марії та немовля, здатна артикулювати та повертати голову. Всередині Марії та немовля теж встановлені годинникові механізми.

Проте, автомати використовувались не лише для церковних ритуалів.

Вчений 15-го століття Джованні Фонтана (Giovanni Fontana) описував схему створення механічної відьми та вогняного диявола у своїй праці Bellicorum Instrumentorum Libri.

Він задумав їх для викриття історій, придуманих магами. Автори книги «Зображення древніх інженерів», вважають, що чернетки Фонтана схожі на декотрі ескізи да Вінчі.

Автомати да Вінчі

Усередині XX-го століття після оприлюднення креслень, з’ясувалося, що да Вінчі, окрім всього іншого, придумував механізми. Але в записах немає чіткої інструкції про те, як саме вони працювали, тому вийшло безліч варіантів «автоматонів да Вінчі».

До прикладу, у випадку з механічним левом, якого да Вінчі придумав у 1515 році. Італійський художник Паоло Ломаццо описував, як у 1584 році да Вінчі представив королю Франції механічного лева, який зайшов у кімнату, та сівши на задні лапи, відкрив дверцята на грудях, звідки посипались лілії та інші квіти.

Сучасні вчені сконструювали дві версії механічного лева. Французький музей, присвячений да Вінчі, спробував зробити подібний пристрій у 2009 році, запросивши художника та інженера Ренато Боаретто. Сучасний лев був виготовлений в натуральну величину, у його гриві встановлена спеціальна кнопка, яка відкриває відсік з ліліями на грудях.

У другому варіанті, що виготовлений в музеї Leonardo3, лев рухається на колесі за рахунок механізму з пружиною, а квіти випадають з грудей, коли той зупиняється.

Ще один винахід да Вінчі – роботизований лицар. Ескізи пристроїв були знайдені в 1957 році італійським мистецтвознавцем Карлом Предетті в «Атлантичному кодексі» — манускрипті, залишених да Вінчі.

Відомо, що ескізи створені приблизно в 1495 році. Повний проект лицаря не зберігся. До цього вченим попадалися свідоцтва про лицаря да Вінчі, але тоді це приймали за вигадку.

Росхейм вважає, що художник розробив робота в подарунок своєму покровителю герцогу Людовико Сфорца (Ludovico Sforza). Передбачається, що проект роботу був придуманий у той час, коли Леонардо да Вінчі працював над декораціями замку Сфорца. Ніби у 1495 році герцог влаштував при своєму дворі театральне дійство, на якому да Вінчі представив всім механічного лицаря.

Леонардо займався анатомічними дослідженнями – він препарував трупи та робив детальне замалювання нутрощів. Завдяки цьому він відмінно знав пропорції та кінезіологію (то як поводить себе тіло в рухові).

На декотрих ескізах видно як да Вінчі детально промальовував різні частини тіла робота – шию, голову, спину, тощо. У якості матеріалів Леонардо використовував дерево, латунь та шкіру.

Одягнений в середньовічні обладунки, лицар міг не тільки сидіти та ходити, він умів рухати руками, підіймати забрало, розмахувати мечем. Всередині було дві системи – програмований контролер забезпечував роботу рук за допомогою тросу та шестерень, а ноги працювали за допомогою кривошипно-шатунного механізму.

У 1996 році дослідженням знайдених ескізів зайнявся Марк Росхейм (Mark Rosheim), а у 2002 році вчені побудували фізичну копію. Пізніше, Росхейм застосував ці напрацювання для створення роботів NASA.

Він отримав замовлення на створення гуманоїдного робота для обслуговування космічних станцій. В підсумку, була створена ціла серія роботів, включаючи двох гуманоїдів та декілька прототипів людиноподібних рук omni-hand.

У своїй книзі «Втрачені роботи Леонардо» Росхейм писав, що використав в роботі фізичні пропорції та механізм управління рук з ескізів Леонардо. На них видно, що скелет робота нагадує скелет лицаря.

Дослідники музею Leonardo3 вважають, що у робота було військове призначення. Вони візуалізували те, як могли використовуватися такі автоматони при обороні фортець.

У 2018 стало відомо, що рука робота вміла малювати. Тоді інженер Роберт Сабуда створив реконструкцію. Руку можна запрограмувати за допомогою спеціального зубчастого диска, вона вміє малювати будь-які предмети.

Крім того, серед ескізів да Вінчі був самохідний візок, схожий на античний. Сьогодні існує декілька реконструкцій. В музеї Leonardo3 використали систему з пружиною, ресорами та спусковим механізмом.

Інший винахід сконструював вчений Марк Росхейм, що займається середньовічною робототехнікою. Росхейм зрозумів як працює цей візок, після того як побачив ескіз каракурі, японського автоматона.

Всередині каракурі було зубчасте коліщатко, пружина та спусковий механізм. Зміна форми зубного коліщатка здатна регулювати рух, тому вчений вважає, що такі механізми можуть бути програмовані. Подібна система використовувалась і в механічному монаху, автоматі короля Іспанії.

Росхейм висунув теорію про те, що конструкція японського каракурі була запозичена в іспанців, котрі у свою чергу навчилися цьому з рукописів да Вінчі, які зберігалися в Іспанії.

3D-модель Музею Галілео у Флоренції

У реконструкції Росхейма рушійну силу візку створюють дві великі спіральні пружини. Вони завиті в різні боки та встановлені в спеціальні барабани. Спусковий механізм забезпечує плавне розкручування пружин. Напрямок руху візка регулюється провідним колесом, яке програмується шестернею. У конструкції продумана спеціальна гальмівна система — розкриття пружин стримувалося натягом троса.

Продовження статті про механічні роботи до появи електроенергії читайте у другій частині.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Читайте также:

Робот-бармен в Токіо. Чи приживеться автоматизація у сфері обслуговування? Відео

Розумний унітаз — повна маячня, чи корисний інструмент?

Нові вміння робособак Mini Cheetah від MIT. Відео

Тренажерний зал майбутнього — віртуальна реальність, шоу та персоналізація