Очень маленький футбол: футбольная лига нанороботов

Стремительно двигаясь, нападающий выходит к пустым воротам. Гол! Свисток судьи извещает об окончании матча, и со счетом 3:0 швейцарцы становятся первыми чемпионами мира. По нанофутболу. Среди роботов.

Этим летом в Швейцарии сложно было найти место, где не говорили бы о футболе. Вот и на лекции в знаменитом Цюрихском политехе, ETH Zurich (это учебное заведение закончил Альберт Эйнштейн), посвященной анонсу нового исследовательского центра в области нанотехнологий, который институт строит совместно с компанией IBM, профессор Стивен Брэдли не удержался: «Кстати, в прошлом году наша команда стала чемпионом мира по футболу!» Слушатели оживились, в глазах многих появилось недоумение. Выдержав паузу, профессор продемонстрировал фотографию команды ETH с чемпионским кубком в руках: «Правда, игроков на этой фотографии не видно — уж очень они маленькие. Их максимальный размер, ограниченный правилами, — 300 микрон».

Участники чемпионата мира

В первом чемпионате мира RoboCup Nanogram Competition в Атланте приняли участие пять команд из различных университетов США, Канады и Швейцарии. В финал вышли только две из них.

Победить чемпионов

Уже несколько лет ежегодно в рамках проекта RoboCup проводятся соревнования по футболу среди роботов. Амбициозная цель проекта указана на главной странице сайта: «К 2050 году разработать команду полностью автономных гуманоидных роботов, которые смогут выиграть футбольный матч против сборной команды чемпионов-людей».

Команды

Военно-морская академия. США (Аннаполис, США). Размер: 300 мкм. Материалы: кремний, хром. Движитель: «щеточный» (scratch drive), рулевое «весло» (stylus). Питание: вертикальное электрическое поле.
Университет Саймона Фрейзера (Бёрнаби, Канада). Размер: 250 мкм. Материалы: полимер, металл. Движитель: «щеточный» (scratch drive), рулевое «весло» (stylus). Питание: вертикальное электрическое поле.
Университет Карнеги–Меллон (Питтсбург, США). Размер: 300 мкм. Материалы: оксид кремния, алюминий. Движитель: «щеточный» (scratch drive), рулевое «весло» (stylus). Питание: вертикальное электрическое поле.
Университет Карнеги–Меллон (Питтсбург, США). Размер: 200 мкм. Материалы: неодим-железо-бор. Движитель: взаимодействие с магнитным полем. Питание: горизонтальное и вертикальное магнитные поля.

Понятно, что пока до нее далеко и команды роботостроителей и программистов просто соревнуются между собой в нескольких лигах. На поле играют команды роботов малого и среднего размеров, четырехногие и гуманоидные, а программисты соревнуются в написании симуляторов игры. В 2006 году добавилась еще одна интересная номинация — Nanogram Competition, в которой людям совершенно определенно ничего не светит. Эта лига названа по весовой категории игроков — несколько нанограммов.

Поле для нанофутбола

Мяч для нанофутбола представляет собой диск из оксида кремния диаметром примерно 100 мкм. На нижней поверхности мяча сделаны выступы для снижения трения о подложку, а вытравленная буква "Т" делает мяч видимым в микроскоп. Сам матч — это не игра с участием соперников, а сольное выступление, состоящее из трех обязательных частей. Первая — это «2-мм рывок» (2-mm Dash), который демонстрирует способность игрока пересечь игровое поле в спринтерском режиме (дается три попытки, засчитывается лучшая). Вторая — «слалом» (Slalom Drill), где игрок на пути от ворот до ворот обводит четырех неподвижных защитников (пластиковые столбики). И наконец, владение мячом: за три минуты «футболист» должен забить как можно больше голов (Ball Handling Drill). В качестве дополнительного (необязательного) задания правила предусматривают возможность демонстрации координированной групповой игры (или танцев), однако, как выяснилось, пока никто из команд не готов этого сделать.

Организацию первого чемпионата мира, прошедшего в июле 2007 года в Атланте, штат Джорджия, взял на себя американский Институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST). В чемпионате приняли участие пять команд: две из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге — CMU 1 и Magic and Voodoo («Магия и вуду»), из Военно-морской академии США в Аннаполисе, Polymer MEMS Pros из канадского Университета Саймона Фрейзера и команда Цюрихского политехнического института (ETH Zurich).

Правила нанолиги

Игровое поле нанолиги представляет собой квадрат со стороной 2,5 мм, окруженный барьером из фоторезиста. Вместо травы — кремниевая подложка, в которую интегрированы электроды (сверху могут быть покрыты оксидным слоем) — для питания и управления игроками. На противоположных сторонах поля находятся «ворота» — шириной 900 мкм и 500 мкм в глубину. Судьи наблюдают за ходом матча с помощью видеокамеры, установленной вместо одного из окуляров бинокулярного микроскопа. Изображение от второй камеры используется командой для управления игроками. Максимальный размер «игрока» ограничен 300 мкм, так что, если говорить строго, это не нанофутбол, а микрофутбол (классификация на «микро» и «нано» производится не по массе, а именно по размерам).

Щетки и весла

В отличие от настоящих футболистов, никакой автономности у роботов нет. Более того, в миниатюрные размеры, заданные правилами, сложно уложить даже источник питания, поэтому энергию приходится черпать извне — либо от электродов, вмонтированных в кремниевую подложку, либо от электрических или магнитных полей, создаваемых соответствующими электродами или катушками, окружающими игровое поле (единственное ограничение — никаких проводов, непосредственно подключенных к самому роботу). Разные команды придерживаются разных подходов к этому вопросу.

Три из пяти команд сделали ставку на электричество. Робот американской Военно-морской академии передвигается и управляется с помощью электростатики. Подавая напряжение на электроды подложки, покрытые оксидным слоем (для изоляции), можно менять «клиренс» робота, оснащенного так называемым щеточным движителем (scratch drive actuator) — упругой Г-образной пластинкой, которая при сгибании повторяет движение гусеницы-землемерки. Так можно обеспечить поступательное движение, для поворота же напряжение на электродах в том месте, где в данный момент находится робот, повышается и боковое рулевое «весло», поднятое высоко над подложкой, притягивается к ней и «табанит» (морское происхождение как-никак) конструкцию, поворачивая ее вокруг своей оси. Похожим образом (щеточный движитель плюс рулевое «весло») устроены роботы канадской команды и CMU 1.

<"