רובוטיקה

הגדרת המושג

רובוטיקה היא תחום בהנדסה הנוגע בבניית רובוטים, מכשירים היכולים לנוע ולהגיב לפי מידע מחיישנים. רובוטיקה היא גם ענף בחקר הבינה המלאכותית. רובוטיקה הוא נושא רב תחומי ונוגע בתחומי הנדסה רבים כמו הנדסת מכונות, הנדסת אלקטרוניקה והנדסת תוכנה.

המילה רובוטיקה - מלשון רבוטה (ROBOTA), מילה צ'כית לעבודה מאולצת - חודשה על ידי המחזאי קארל צ'אפק. המובן של הרובוטים כפי שאנו מכירים אותו היום הוצג על ידי הסופר אייזק אסימוב בספרו משנת 1950 "אני, רובוט". בספר זה הציג הסופר גם את שלושת חוקי הרובוטיקה המוטלים על הרובוטים כדי שלא יסכנו את בני האדם.

כיום כשמדברים על רובוטים מדברים לאו דווקא על מכונות מוחשיות, כי היום גם חלק מהתוכנות הממוחשבות נקראות רובוטים, וגם עוד מכונות המגיבות לנתונים שהן מקבלות מן הסביבה. רובוט בהקשר המסורתי הוא סוכן מכני. בדרך כלל המדובר במערכת אלקטרו-מכנית, אשר התבוננות באופן התנועה שלה יוצרת תחושה של כוונה או רצון עצמאיים. במילים אחרות, על רובוט להפגין מידה מסוימת של תבונה. באופן מפתיע, אין הגדרה מוסכמת על החוקרים למושג רובוט, עם זאת מוסכם על כולם שנוסף על יכולת תבונית על רובוט להיות מסוגל לאחת או יותר מהמשימות הבאות : תנועה עצמאית, הפעלת זרוע מכנית, חישה, ופעולה על סביבתו. במחקר ברובוטיקה נכללים תחומי המכניקה, הבקרה, האינטראקציה עם בני אדם והחישה.

תחומי הרובוטיקה רפואית 

בשנים האחרונות התפתח תחום הרובוטיקה גם לכיוון הרפואי. הרעיון שעמד בבסיס השילוב בין התחומים היה יכולת הדיוק והנגישות הגבוהה של הרובוט יחד עם הצורך בתכונות אלו בפרוצדורות רפואיות מגוונות. הרובוטים נמצאים כבר בשימוש ובשלבי פיתוח מתקדמים במספר תחומים ברפואה ובהם: ניתוחים בפולשנות מזערית, ניתוחי גב, ניתוחי מוח (ביופסיות), ניתוחים אורולוגייים וניתוחי לב. יישומים נוספים נבחנים כל העת. תחום הרובוטיקה הרפואית כמו תחום הרובוטיקה בכלל הוא רב תחומי ומשלב בתוכו בקרה, הנדסת מכונות, הנדסת תוכנה, אלקטרוניקה, חיישנים ואינטליגנציה מלאכותית. בישראל עוסקת המעבדה לרובוטיקה רפואית ע"ש קאן הממוקמת בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, בפיתוח רובוטים רפואיים ומתוכה צמחו פרויקטים מסחריים ורובוטים המנתחים בפועל בבתי-חולים בעולם.

אם אתם חושבים שרובוטים שייכים רק לעולם הסרטים אז תחשבו שוב. ברגע זה רובוטים בכל העולם נמצאים בתזוזה. הם צובעים מכוניות במפעלי "פורד", אופים עוגיות בשביל חוות פפרידז', נכנסים לתוך הרי געש פעילים, הם מפעילים רכבות בפריז ומנטרלים פצצות בישראל ובצפון אירלנד. בזמן שהם מתפתחים, נהפכים לכלי תנועה וחכמים יותר, הרובוטים של היום עושים יותר ויותר דברים שבני אדם אינם יכולים או לא רוצים לעשות. 
רובוטים היו בסביבה פחות מ-50 שנה, אך הרעיון של מכונות חסרי-חיים שממלאים אחר פקודותינו הוא ישן בהרבה. המשורר היווני הקדום הומר תיאר עלמות מזהב, עוזרות מכניות שנבנו ע"י האל היווני הפאיסטוס. הגלמים של אגדה יהודית מימי-הביניים היו עשויים מטיט והובאו לחיים בידי מילות קסם. בשנת 1495, לאונרדו דה-וינצ'י שרטט תוכניות לאדם מכני. 
אך רובוטים אמיתיים הפכו לאפשריים רק לאחר שנות החמישים והשישים של המאה העשרים, עם המצאת הטרנזיסטור ומעגלים משולבים. קומפאקטיות, אלקטרוניקה אמינה ותעשיית מחשבים שצומחת הוסיפו בינה לכוח של המכונות הקיימות. בשנת 1959, מדענים הדגימו את האפשרות של ייצור מבוקר כאשר הם חשפו מכונה המייצרת מאפרות שנשלטת ע"י מחשב. 
התעניינות ציבורית ברובוטים החלה בתחילת 1980,שנגרמה בחלקה ע"י סרטים כמו "מלחמת הכוכבים", שהציגו את הרובוטים C3PO R2D2 כעוזרים יעילים לאדונם האנושי. אך ההתעניינות ירדה לאחר שאנשים גילו כי רובוטים מתקשים לבצע פעולות שאנו תופשים אותם כקלות-כמו תזוזה במבוך. 
כיום רובוטים נהנים מתחייה. מעבדי מחשב מהירים וזולים יותר הופכים רובוטים לחכמים יותר ופחות יקרים. בו-זמנית, חוקרים עובדים על דרכים לבנות רובוטים כדי לגרום להם לזוז ו"לחשוב" ביותר יעילות. למרות שרוב הרובוטים שנמצאים בשימוש כיום תוכננו לביצוע משימות מסוימות, המטרה היא לייצר רובוטים אוניברסליים, רובוטים גמישים מספיק שיוכלו לבצע כל משימה שהאדם מסוגל. 
רכיבים

בסיס (base) או מצע (platform) הרובוט. בסיס מקשר בין הרובוט לרצפה או למשטח אחר. בסיס הרובוט יכול להיות קבוע (fixed) או נייד (mobile) .
בהתאם לכך הרובוט הוא רובוט קבוע או רובוט נייד. 
יד (hand) או יחידת קצה (end effector) . באמצעות היד יכול הרובוט לקיים מגע פיסי עם עצמים שונים בסביבתו ולבצע עבודה, חישה פיסית או פעולות אחרות 
זרוע (arm) או זרוע מכנית (mechanical arm) . הזרוע מחברת את יד הרובוט לבסיסו (כלומר, היד נמצאת בקצה הזרוע). הזרוע יכולה לבצע תנועה שבאמצעותה היד עוברת ממקום למקום. 
הערה: לרובוט תעשייתי טיפוסי זרוע אחת ויד אחת. 
מנועים (motors) ומפעילים (actuators) . מרכיבים אלה מספקים את הכוח המניע ואת ההנעה לזרוע הרובוט או לגוף הרובוט(במקרה של רובוט נייד); תפקידם דומה לתפקיד מערכת השרירים בגוף האדם. 
בקר (controller) או יחידת בקרה (control unit) . מרכיב זה כולל, בין השאר, מערכת מחשב והוא שולט בתנועות הרובוט ומבקר את 
פעולותיו . בכך דומה הבקר למוח האדם. בדרך כלל מותקן ברובוט מיקרו-מחשב או מיני-מחשב. 
חישנים (sensors) חיצוניים. החישנים החיצוניים סורקים את סביבת הרובוט, אוספים עליה נתונים, ומעבירים אותם לבקר לצורך עיבוד וקבלת החלטות. החישנים הם "עיני" הרובוט ו"אוזניו". (כמעט בכל רובוט יש גם חישנים "פנימים" העוקבים אחר התנועה של הרובוט ומעבירים את נתוני התנועה לבקר הרובוט). 
רוב הרובוטים התעשייתיים הקיימים כיום הם נייחים. לגבי רובוטים כאלה נהוג לקרוא לחלק הרובוט הכולל את הבסיס, הזרוע והיד, בשם מניפולטור (manipulator) .
המניפולטור הוא חלק המכני המרכזי של רובוט תעשייתי . 
הערה: בעבר (עד שנות ה- 60) שימש המונח מניפולטור לציון זרוע מכנית המופעלת מרחק על-ידי מפעיל אנושי; כיום נקראת זרוע כזו בשם teleoperator (מפעיל מרחוק).

תמסורות סוגים ותפקידים

אל מנת לאפשר לרובוט לנוע יש צורך במנוע, היות ואי אפשר לחבר מנוע לכל חלק נע ברובוט יש צורך להעביר את תנועת המנוע לחלקים השונים ברובוט כגון: גלגלים או זרועות. את התנועה מעבירים בעזרת תמסורות שמם כיוון שהם "מוסרים" תנועה ממקום למקום. 
בעזרת תמסורת הבנויה לרוב ממערכת גלגלי שינים אפשר להעביר תנועה למרחק רב. 

תמסורת מעבירה את הכוח מהמנוע לגלגים. התמסורת יכולה לסובב את הגלגל בכוון או מהירות שונים מהמנוע. יש דרכים שונות להעביר כוח מהמנוע אל הגלגלים. השיטות הנפוצות יותר מודגמות באיורים הבאים. חלקן קלות יותר לבניה מאשר אחרות וכל אחת מתאימה לצרכים אחרים. 

דוגמאות

·        יפן שולחת רובוטים לכור הגרעיני בפוקושימה

המונירובו מתוכנן לפעול ברמות קרינה שהן יותר מידי גבוהות לבני אדם. הוא בגובה של מטר וחצי והוא נע באמצעות זוג של מסלולי טרקטור * הוא בעל זרוע מרובת דרגות חופש שמטרתה להוציא מכשולים וגם לאסוף דגימות. לרובוט יש חיישנים שכוללים גלאי קרינה, מערכת מצלמה תלת-ממדית וחיישני טמפרטורה ולחות

מונירובו. מתוך אתר החברה המפתחת

הצוות שעובד על הכור הגרעיני בפוקושימה עתה קיבל תגבור שכולל רובוטים. המכונה הידועה בשם מונירובו (כלומר, רובוט מוניטור), נכנסה לפעולה ב-18 למרץ – זאת לפי העיתון היפני אשאי שימבון.

המונירובו מתוכנן לפעול ברמות קרינה שהן יותר מידי גבוהות לבני אדם. הוא בגובה של מטר וחצי והוא נע באמצעות זוג של מסלולי טרקטור. הוא מופיע בשני צבעים לבחירה, מונירובו בצבע אדום ומונירובו בצבע צהוב. הוא בעל זרוע מרובת דרגות חופש שמטרתה להוציא מכשולים וגם לאסוף דגימות. לרובוט יש חיישנים שכוללים גלאי קרינה, מערכת מצלמה תלת-ממדית וחיישני טמפרטורה ולחות. ניתן להפעיל את הרובוט ממרחק של בערך קילומטר.

המונירובו שוקל כ-600 קילו והוא מוגבל למהירות של 2.4 קילומטרים לשעה. עליו לשאת מגן מאוד עבה מפני הקרינה, בגלל שיש עליו אלקטרוניקה רבה ורגישה ביותר. בייחוד המצלמות שעליו בן רגישות ופגיעות להשפעות של הקרינה.

הרובוט פותח על ידי מרכז הטכנולוגיה לבטיחות קרינה היפני בשיתוף פעולה עם משרד הכלכלה, המסחר והתעשייה היפני. הוא פותח לאחר תאונה קודמת שהייתה ביפן עם כור גרעיני נוסף בטוקיאמורה ב-1999 שבה נהרגו שני עובדים.

המכונה הראשונה שנכנסה לשימוש בכור בפוקושימה היא המונירובו האדומה. לעומת המכונה האדומה, למונירובו הצהובה יש כלים לאיסוף אבק וחיישנים לגילוי גז דליק. מכונה זו תכנס לשימוש בימים הקרובים. מספר רובוטים נוספים פותחו לאחר האסון בטוקיאמורה, אבל לא נעשה בהם שימוש בינתיים. היפנים מקווים שהשימוש ברובוטים יצמצם את הצורך בעובדים אנושיים באזור הסכנה.

למעשה היפנים השתמשו ברובוטים גם בעת רעידת האדמה. מחלקת כיבוי האש של טוקיו מחזיקה רובוטי הצלה שידועים בשם רובוקיו. הם מרימים את הנפגע ממקום הסכנה ומוציאים אותו מטווח הסכנה. מחלקת כיבוי האש עצמה תכננה את הרובוקיו. הרובוט קשור בכבל שאורכו הוא 99 מטר והוא מצויד במצלמות אינפרא אדומות ומגאפון. כמוכן הוא בעל חיישנים אולטרא סוניים שמסוגלים למצוא קורבנות במקומות שאליהם מחלצים אינם יכולים להגיע – כמו למשל בתים בוערים. על הרובוט יש מיכל חמצן לניצולים שעשויים להזדקק לכך. החיסרון היחיד של הרובוט הוא שלא ניתן לגרור עליו כמה קורבנות בו-זמנית. אבל אולי בדגם המשופר שלו כן יהיה ניתן לעשות זאת.

·        הרקדן האוטומטי

שיתוף רובוטים במחול או בתיאטרון גורם הנאה לקהל: אך פיתוח רובוטים רקדנים ושחקנים ישמש גם בפעולות חלקות וזורמות יותר לסיוע ביד האדם, ואפילו בפעולות הצלה

רובוטים עשויים להיראות דומים לבני אדם, אך תנועותיהם עד עתה היו תמיד מכניות, חדות, מקוטעות – בקיצור, רובוטיות. מפתחי הדור הבא של הרובוטים משתדלים ליצור תנועות חלקות, זורמות ואנושיות יותר. יש שני סוגי מניעים לכך: מעשיים וחברתיים. מבחינה מעשית, התנועות ה"רובוטיות" הן לא רק פחות יעילות מבחינת מהירות וצריכת אנרגיה, אלא גם מסוכנות יותר: תזוזות מהירות וחדות עשויות לפגוע בחפץ או באדם. מבחינה חברתית, יהיה קשה יותר לרובוטים להשתלב בעבודה לצד בני אדם ובתמיכה בבני אדם (כמו בטיפול בקשישים) כאשר כל תזוזה שלהם ממחישה עד כמה הם שונים.

איזה אתגר יכולים מפתחי הרובוטים להציב לעצמם, כך שעמידה בו תוביל לפתרון הבעיה? אחת מהתשובות הבולטות לשאלה זו היא בניית רובוטים המסוגלים לרקוד – ריקודי סולו, ריקודים של קבוצות רובוטים וריקודים משותפים של מכונות ובני אדם.

תרקוד, היא שידרה לו, תרקוד

רעיון זה אינו חדש. חיפוש באתרי וידאו, כמו יוטיוב (נסו לחפש "dancing robots"), יעלה מספר רב של סרטונים המציגים רובוטים רוקדים. מעניין להשוות את הסרטונים לפי הזמן שבהם נוצרו: קטעי ריקוד רובוטי מלפני כחמש שנים כבר מראים רמה מסוימת של שילוב בין תנועות כך, למשל, שסיבוב הגוף וכיפוף הברכיים מתבצעים במקביל לתנועות מעגליות של הידיים. בקטעים חדשים יותר תנועות הרובוטים כבר נראות חלקות וזורמות הרבה יותר.

אחד הפרויקטים החדשים בתחום זה בא מאוניברסיטת הטכנולוגיה בסידני, אוסטרליה. כפי שאפשר לראות כאן, סגנון הריקוד בהדגמה הוא היפ-הופ, כך שלרובוטים ניתנת הזדמנות להפגין את כישוריהם בתנועות חדות ומקוטעות כמו גם בתנועות חלקות וזורמות. בקטע הווידאו הנכלל בקישור נראים הרובוטים רוקדים ליד רקדנים אנושיים מלהקת "Wickid Force", ואפשר לראות כי למרות ההתקדמות על הרובוטים עדיין לסגור פער משמעותי.

פרופ' מרי-אן ויליאמס (Williams), מנהלת מעבדת החדשנות באוניברסיטה ומובילת הפרויקט, מסבירה כי המטרה היא להגיע לשליטה מדויקת בתנועות הרובוט: "עלינו לעשות זאת טוב יותר אם ברצוננו להכניס רובוטים לבתינו. איננו רוצים שהם ייתקלו בדברים."

תכנות הריקוד החל מכוריאוגרפיה שיצרו רקדני Wickid Force. במהלך עבודת הדוקטורט של בנג'מין ג'ונסון (Johnson), הוא פיתח שפת תכנות כדי להגדיר את תנועות הרובוטים. גם בעזרת שפה זו, נדרשו שעתיים תכנות על כל חמש שניות של ריקוד: צפייה בווידאו של הכוריאוגרפיה, מעקב אחר התנועות בכל פעמה (ביט) מוזיקלי, והצבת הרובוט במצב הנכון לכל פעמה.

רובוטים פוגשים את שייקספיר

ריקוד אינה אמנות הבמה היחידה שאליה פולשים הרובוטים. בנובמבר 2009 הועלתה באוניברסיטת A&M בטקסס הפקה של "חלום ליל קיץ" בהשתתפות שבעה רובוטים דמויי-מסוק – אחד בגודל פיצה משפחתית ושישה בגודל כף יד. הרובוטים משחקים תפקיד שמתאים להם הרבה יותר מאשר לשחקנים אנושיים: פיות קטנות המרחפות בין השחקנים האחרים, כפי שאפשר לראות בתמונות ובקטעי הווידאו.

הפיות הרובוטיות אמנם אינן מופיעות בטקסט המקורי, אך הבמאית איימי הופר (Hopper) מאמינה שבכך שהן מרחפות, מסתחררות ומקפצות בין השחקנים, הן תורמות לקסם ולמסתורין של העולם שיצר שייקספיר. עם זאת, לפרופ' רובין מרפי (Murphy), שהובילה את הצד הרובוטי של ההפקה, היו מניעים נוספים, מֵעבר לאמנות התאטרון. מרפי מנהלת את המרכז לחיפוש והצלה בעזרת רובוטים, ששלח רובוטים לתוך ההריסות של מרכז הסחר העולמי בספטמבר 2001 ולאתרי אסון אחרים ברחבי העולם.

בעבורה, האינטראקציה של הרובוטים עם השחקנים ועם הקהל היא כלי רב ערך לתכנון רובוטים שיעזרו בפעולות פינוי והכוונת קהל במצבי חירום. באותה מידה, הבנת האינטראקציה חשובה גם ללכודים בהריסות או במכרות, שייתכן כי הרובוטים הקטנים שיגיעו אליהם ראשונים יהיו החברה היחידה שלהם למשך שעות או ימים. "אם אתה היית בבור כזה, האם היית רוצה להיתקע עם מכונה קרה כמו ה-T-1000 או מכונה ידידותית כמו WALL-E?" שואלת מרפי. (מרפי מתייחסת לרובוט הרצחני שהופיע בסדרת סרטי "טרמינייטור" ולרובוט החביב בסרט המצויר הנקרא על שמו.)

החשש הראשוני היה כי השחקנים והקהל יתפשו את הרובוטים כמאיימים ויימנעו מלהתקרב אליהם. למעשה, הבעיות הופיעו מכיוון שונה לחלוטין: אנשים לא הבינו עד כמה הרובוטים עדינים. בכמה מקרים, כאשר רובוט נפל על הקרקע היה האדם הקרוב מרים אותו וזורק אותו לאוויר, במחשבה שכך יחזור לתפקד. לכן, השחקנים התבקשו להתייחס לרובוטים כאילו היו פֵיות-תינוקות. לאחר מכן החלו השחקנים להביע דאגה כאשר נפל רובוט, כאילו יצרו קשר אנושי עם שותפיהם להצגה. הצורה שבה התייחסו השחקנים לרובוטים התגלתה גם כמודל לחיקוי בעבור הקהל, שללא הדרכה למד גם הוא להיזהר מלפגוע ברובוטים הקטנים.

ממצא מעניין נוסף שעלה מהתצפיות באינטראקציה בין השחקנים האנושיים והרובוטיים היה כי אנשים נטו לעקוב אחרי הרובוטים. זוהי תגובה טובה במצבי חירום שבהם יש לפנות אנשים מאזורים מסוכנים ולהובילם למקום בטוח, אך התגובה אינה מתאימה בעבור מצבים שבהם על הרובוטים לעזור בהשתלטות על מהומות. מרפי מסיקה כי יש צורך במחקר נוסף כדי להבין כיצד רובוטים אוויריים יכולים להיראות כמו יונקי דבש ידידותיים או כמו דבורים זועמות, בהתאם לצורך.

·        רובוטיקה – מלחמת המכונות

רובוטים בשדה הקרב ומעליו מחוללים את השינוי הגדול ביותר בלחימה מאז המצאת פצצת האטום

MQ-9 Reaper - מטוס לחימה ללא טייס

בראשית שנות ה-70 של המאה הקודמת חברו כמה מדענים, מהנדסים, קבלני תעשייה צבאית וקצינים בחיל האוויר האמריקני וייסדו קבוצה מקצועית. הם ניסו לפתור בעיה: כיצד לבנות מכונות שיוכלו לפעול בכוחות עצמן, ללא בקרה אנושית, וכיצד לשכנע הן את הציבור והן את בכירי הפנטגון המסויגים שרובוטים בשדה הקרב הם רעיון טוב. במשך עשרות שנים נפגשו חברי הקבוצה פעם או פעמיים בשנה, בלי חשיפה תקשורתית רבה, כדי לדון בנושאים טכניים, להתעדכן ברכילויות ולחדש קשרי ידידות ישנים. בקבוצה נינוחה-לשעבר זו, המכוּנה "האגודה הבין-לאומית למערכות לא מאוישות", חברים כעת יותר מ-1,500 חברות וארגונים מ-55 מדינות. למעשה, צמיחתה הייתה כה מהירה, עד שהיא נקלעה למשבר זהות. באחת הפגישות, שנערכה בסן דייגו, היא אף שכרה "מספר סיפורים מומחה" שיסייע לה לגבש את סיפור השינויים המדהימים בטכנולוגיית הרובוטיקה. אחד המשתתפים היטיב לנסח את משבר הזהות שפקד את הקבוצה במילים אלו: "מנין באנו? היכן אנו נמצאים? לאן אנו צריכים ללכת ולאן אנו רוצים ללכת?"

הסיבה שעוררה את הקבוצה לעריכת חשבון נפש כזה היא אחד השינויים המהותיים ביותר בלוחמה המודרנית מאז המצאת אבק השריפה או המטוס: עלייה מהירה להדהים בשימוש ברובוטים בשדה הקרב. ב-2003 שום רובוט לא ליווה את התקדמות כוחות ארצות הברית מכוויית לבגדד. מאז התווספו לארסנל הצבאי האמריקני כ-7,000 כלי טיס בלתי מאוישים וכ-12,000 כלי רכב קרקעיים שהופקדו על משימות מגוונות, החל באיתור צלפים וכלה בהפצצת מקומות מסתור של בכירי אל-קאעדה בפקיסטן. הכוחות הלוחמים החזקים בעולם, שדחו בעבר את הרובוטים בטענה שאינם הולמים את תרבות הלחימה שלהם, מאמצים כעת את מלחמת המכונות כדרך להיאבק בכוחות אויב לא סדירים שמפעילים מטעני חבלה מרחוק באמצעות טלפונים סלולריים ונעלמים לתוך הקהל המקומי. המערכות הרובוטיות האלה משפיעות במידה רבה על האופן שבו מתבצע סוג חדש זה של לחימה, והן גם מעוררות פולמוסים על ההשפעות של שימוש קרבי במכונות הנעשות יותר ויותר אוטונומיות וחכמות. אמנם הרחקת החיילים מאזור הסכנה עשויה לחסוך בחיי אדם, אך השימוש הגובר ברובוטים מעלה שאלות פוליטיות, משפטיות ומוסריות עמוקות הנוגעות לאופייה היסודי של המלחמה ולאפשרות שטכנולוגיות כאלה יגרמו, שלא במתכוון, לפריצת מלחמות ביתר קלות.