Телеуправление роботами: когда человеческая рука покоряет расстояние

От марсоходов до глубоководной добычи полезных ископаемых: эти дистанционно управляемые роботы работают там, где не может выжить ни один человек.

Представьте себе хирурга в Берлине, проводящего высокоточную операцию пациенту в Токио, ни разу не переступив порог операционной. Робот исследует глубины океана, в то время как его пилот, находясь в безопасности на берегу, ощущает каждое движение, словно он сам там находится. То, что кажется далёкой научной фантастикой, на самом деле – захватывающая реальность телеуправления – технологии, позволяющей людям управлять роботами как продолжением собственного тела на огромных расстояниях. В эпоху искусственного интеллекта и автономности телеуправление подтверждает фундаментальный принцип: человеческая интуиция, суждение и контроль незаменимы.

Но телехирургия — это гораздо больше, чем просто медицинское чудо. Это невидимая сила, которая позволяет управлять марсоходами на Марсе, добывать ресурсы из недоступных шахт и проникать в зоны радиоактивного загрязнения. Этот всесторонний обзор не только освещает впечатляющие технологии, лежащие в основе этой революции. Мы углубимся в её удивительные истоки, восходящие к провидцу Николе Тесле, проанализируем критические проблемы, такие как ужасающая задержка связи, определяющая успех или неудачу, и рассмотрим глубокие этические вопросы, связанные с удалённым управлением жизнью и работой. Присоединяйтесь к нам в путешествии, которое переопределит границы между присутствием и отсутствием и покажет, как цифровое дублирование человечества навсегда меняет наш мир.

Цифровое дублирование людей: как телеуправление преодолевает границы, двигает науку вперед и бросает вызов условностям

Телеуправление роботами представляет собой один из самых захватывающих парадоксов современных технологий: оно позволяет человеку-оператору физически отсутствовать, одновременно действуя с абсолютным присутствием. Хирург в Нью-Йорке может провести операцию в Токио. Инспектор остаётся в безопасности, пока его робот-аватар спускается в радиоактивно загрязнённые руины. Горнодобывающая компания управляет подводными шахтами, ни разу не ступив в воду. Это не научная фантастика, а современная реальность технологии, которая фундаментально изменила классические границы между присутствием и отсутствием, между физическими возможностями и когнитивным контролем.

В мире, где доминирует автоматизация, может показаться парадоксальным, что телеуправление — прямое дистанционное управление машинами — не только выживает, но и процветает. Однако это наблюдение открывает более глубокое понимание технологий: автономность ценна, но контроль необходим. Телеуправление — высшее воплощение этого принципа, технология, сочетающая человеческий интеллект, интуицию и способность принимать решения с грубой физической мощью и нечувствительностью механических систем. Рынок телеуправляемых роботизированных систем оценивается примерно в 890 миллионов долларов в 2025 году и, по прогнозам, вырастет до более чем 4 миллиардов долларов к 2032 году. Это не просто признак экономического интереса, но и свидетельство фундаментальных преобразований, которые эта технология привносит в современное общество.

Исторические истоки: от мечты Теслы до современной реальности

История телеуправления начинается не с компьютеров, а с человека, чьё имя сегодня ассоциируется, прежде всего, с электричеством: Николы Теслы. В 1890-х годах Тесла провёл новаторские эксперименты с беспроводным дистанционным управлением и открыл фундаментальный принцип, лежащий в основе всех современных систем телеуправления. Тесла понимал, что радиоволны могут передавать не только информацию, но и команды и управление. Его «Телеавтоматон» – дистанционно управляемая модель судна – продемонстрировал в 1898 году, что машины могут функционировать как физическое продолжение человеческой воли на расстоянии. На это изобретение Тесла получил патент США № 613,809, заложивший интеллектуальную основу для всех последующих систем телеуправления.

Однако замыслы Теслы оставались в значительной степени нереализованными на протяжении десятилетий. Только после Второй мировой войны практическая необходимость подтолкнула развитие технологий. В 1945 году в Аргоннских национальных лабораториях недалеко от Чикаго американский учёный Рэймонд Герц разработал ведущий-ведомый телеманипулятор для безопасной работы с радиоактивными материалами. Это устройство позволяло рабочим, сидя за метровой бетонной стеной, манипулировать радиоактивными материалами через окно. Это был первый практически реализуемый робот телеуправления, ознаменовавший переход от теоретической возможности к промышленной реальности. Инновации ускорялись: электрические сервомоторы заменили прямые механические соединения, а закрытые телевизионные системы и камеры позволили операторам выбирать рабочее положение и использовать различные углы обзора.

В 1960-х годах интересы исследователей сместились к новым горизонтам: космическому пространству и морским глубинам. Военно-морские силы США, СССР и Франции всё больше интересовались телемеханипуляторами, оснащёнными видеокамерами, установленными на подводных аппаратах. В этот период появился термин «телеробот», чтобы отличать их от традиционных телеоператоров: телероботы обладали компьютерными системами, способными принимать, хранить и выполнять команды с помощью датчиков и исполнительных механизмов. В 1970-х годах исследователи Феррелл и Шеридан произвели революцию в полевых работах, внедрив концепцию «диспетчерского управления», когда оператор передавал высокоуровневые задачи, которые компьютер затем выполнял автономно. Это значительно снизило нагрузку на оператора и требования к пропускной способности канала связи.

Ещё одной важной вехой стала разработка в 1980-х годах предиктивных дисплеев, которые позволили моделировать робота на компьютере для компенсации задержек, вызванных задержкой связи. Ярким достижением этого развития стала успешная демонстрация первых космических телероботов на борту космического челнока NASA Space Shuttle Германским аэрокосмическим центром (DLR) в 1993 году с задержкой связи 6–7 секунд.

Хирургическая телехирургия развивалась параллельно. В 1990-х годах Исследовательский центр Эймса НАСА и Стэнфордский университет начали разработку концепции телеприсутствия в хирургии. Система AESOP компании Computer Motion получила одобрение FDA в 1994 году. В 2001 году система SOCRATES (также компании Computer Motion) обеспечила возможность глобального сотрудничества, позволив хирургу управлять роботом с удаленной операционной консоли, получая при этом видеопотоки с места операции и аудиосвязь в режиме реального времени. Эти разработки заложили основу для современных систем da Vinci, которые доминируют в этой области и сегодня.

Архитектура и механизмы: Технологическая базовая структура телеуправления

Система телеуправления — это не просто робот с дистанционным управлением. Это сложнейшее взаимодействие аппаратных компонентов, программных систем и протоколов связи, которые вместе создают бесшовное расширение человеческой воли в пространстве и, возможно, во времени.

В основе систем телеуправления лежат три основных элемента: ведущее устройство (также называемое станцией управления), ведомое устройство или удаленный робот и канал связи, который их соединяет. Ведущее устройство является интерфейсом между человеком и машиной. Это может быть традиционная панель управления с джойстиками и переключателями, гарнитура виртуальной реальности с отслеживанием движений рук, экзоскелет, считывающий движения оператора, или даже интерфейс «мозг-компьютер», интерпретирующий активность мозга оператора. Современные системы на основе дополненной реальности используют гарнитуру HoloLens 2 для обеспечения мониторинга окружающей среды, обработки данных и виртуального управления в режиме реального времени.

Сам робот является ведомым устройством. Он оснащён приводами, преобразующими команды, полученные от ведущего устройства, в физические движения, а также датчиками, собирающими информацию об окружающей среде. Эти датчики обычно включают камеры для визуальной обратной связи, датчики расстояния для обхода препятствий, датчики силы и крутящего момента, а также специализированные датчики для конкретных применений, например, термометры для осмотров или медицинские инструменты для хирургии.

Канал связи – важнейший элемент и одновременно ахиллесова пята современных систем телеуправления. В локальных приложениях это может быть прямое проводное соединение, где задержка сигнала измеряется миллисекундами. Для операций на больших расстояниях, например, в космических полетах или под водой, могут использоваться оптоволоконные кабели, радиосвязь или даже спутниковая связь, что приводит к значительно более длительным задержкам. Система коммуникативной обратной связи имеет решающее значение: оператор должен не только видеть то, что видит робот, но и чувствовать то, что чувствует робот. Эта тактильная обратная связь, передающая ощущение сопротивления, текстуры и силы, особенно важна для сложных задач, таких как хирургия или манипулирование хрупкими объектами.

Технологическая реализация включает несколько уровней архитектуры управления. Простейшей формой является прямое телеуправление: каждое движение оператора напрямую транслируется в соответствующее движение робота. Более сложной формой является контролируемое телеуправление, при котором оператор определяет высокоуровневые цели, а робот с помощью локальных датчиков и компьютерного управления автономно определяет траекторию и детали выполнения. Ещё более сложным является ассистированное телеуправление, при котором искусственный интеллект предсказывает намерения оператора и оказывает пассивную или активную поддержку.

Кинематика и динамика обеих систем — экзоскелетонной системы руки человека и системы робота-прицела — должны быть тщательно смоделированы для создания эффективного двунаправленного, непрерывного и нелинейного отображения между пространствами движения и силы. Это особенно важно для систем на основе экзоскелетов, где оператор находится в физическом контакте с удалённым оборудованием.

Другим важным техническим элементом является интеграция дополненной реальности и виртуальной среды в интерфейс управления. Системы на основе дополненной реальности позволяют операторам не только видеть текущее изображение удаленной локации, но и получать виртуальные наложения данных планирования, информации с датчиков и оповещений в режиме реального времени. Системы виртуальной реальности, используемые в сложных операциях по разминированию под водой, создают цифровые трехмерные копии удаленной среды, позволяя операторам заранее планировать и оптимизировать свои действия.

Роль 5G и периферийных вычислений в современных системах телеуправления невозможно переоценить. 5G обеспечивает сверхнизкую задержку и более высокую пропускную способность, что критически важно для управления и обратной связи в режиме реального времени. Периферийные вычисления, которые выполняют обработку данных ближе к точке выполнения операции, снижают нагрузку на сеть и позволяют выполнять более сложные удалённые задачи.

Воспользуйтесь преимуществами обширного пятистороннего опыта Xpert.Digital в комплексном пакете услуг | НИОКР, XR, PR и оптимизация цифровой видимости — Изображение: Xpert.Digital

Xpert.Digital обладает глубокими знаниями различных отраслей. Это позволяет нам разрабатывать индивидуальные стратегии, которые точно соответствуют требованиям и задачам вашего конкретного сегмента рынка. Постоянно анализируя тенденции рынка и следя за развитием отрасли, мы можем действовать дальновидно и предлагать инновационные решения. Благодаря сочетанию опыта и знаний мы создаем добавленную стоимость и даем нашим клиентам решающее конкурентное преимущество.

Подробнее об этом здесь:

• Используйте 5-кратный опыт Xpert.Digital в одном пакете — всего от 500 евро в месяц

Текущие приложения: где телеуправление меняет мир сегодня

Современные технологии телеуправления вышли далеко за пределы своей первоначальной области применения – ядерной энергетики и космоса. Они стали инфраструктурой, на которой строятся важнейшие приложения в медицине, промышленности, ликвидации последствий стихийных бедствий и других областях.

Пожалуй, самое известное применение — это телеуправляемая хирургия. Хирургическая система da Vinci от Intuitive Surgical стала отраслевым стандартом. Во всем мире было проведено более 12 миллионов телеуправляемых операций, и система обучила более 60 000 хирургов. Только в 2023 году с использованием платформ da Vinci было проведено более 2,2 миллиона операций, а к концу 2024 года ожидается, что их число превысит 2,5 миллиона. Система оснащена консолью, с которой хирург работает, используя трехмерное изображение операционного поля, в то время как дистанционно управляемые роботизированные руки направляют инструменты с микрометрической точностью. Преимущества значительны: меньшие размеры разрезов, снижение кровопотери, более быстрое восстановление и снижение физической нагрузки на хирурга.

С 2024 года на рынок также вышли новые системы, такие как Hugo RAS от Medtronic, основанная на технологии DLR-MIRO, предлагающая более экономически эффективную альтернативу, которая может сделать телеуправляемую хирургию более доступной для небольших больниц.

Ещё одной важнейшей областью применения является исследование космоса. Марсоход NASA Perseverance управляется операторами на Земле, с задержкой связи от 5 до 20 минут (в зависимости от положения Земли и Марса). Это требует полуавтономного поведения марсохода: оператор отдаёт высокоуровневые команды, а решения по навигации он принимает локально. Такое сочетание телеуправления и автономности станет ещё более важным в будущих миссиях к другим небесным телам.

Подводные применения значительно расширились. Проект VAMOS (Viable Alternative Mine Operating System), финансируемый Европейским союзом, разрабатывает дистанционно управляемую подводную систему добычи полезных ископаемых с интерфейсами оператора на основе 3D-VR высокого разрешения. Системы подключаются к станции управления на поверхности с помощью высокоскоростных оптоволоконных кабелей.

В робототехнике реагирования на стихийные бедствия телеуправление стало жизненно важным. Конкурс робототехники DARPA Robotics Challenge продемонстрировал применение телеуправляемых роботов в сложных сценариях катастроф, таких как катастрофа на Фукусиме, где роботы выполняли задачи в условиях, слишком опасных для человека. Современные системы используют стереоскопические шлемы и трёхмерные датчики окружающей среды в реальном времени, чтобы предоставить операторам полное представление об удалённой среде.

Логистика и доставка «последней мили» также становятся всё более популярными сферами применения. На демонстрациях Ericsson в Барселоне водитель смог управлять автономным электрогрузовиком на расстоянии более 2000 километров в Швеции. Телеуправляемые роботы также использовались для транспортировки медицинских принадлежностей на двух стадионах в Калифорнии, переоборудованных в центры лечения COVID-19.

Текущие проблемы: когда технологии достигают физических пределов

Несмотря на значительный прогресс, телеуправление по-прежнему сталкивается с фундаментальными проблемами, которые выявляют пределы технологических возможностей.

Самая серьёзная проблема — задержка связи. Хотя локальные системы телеуправления могут иметь задержки порядка нескольких миллисекунд, эта задержка резко увеличивается с расстоянием. При лунной хирургии задержка связи туда и обратно составит около 2 секунд, а при операциях на Марсе — до 40 минут. Исследования показали, что качество телеуправления остаётся стабильным примерно до 300 миллисекунд, но затем начинает ухудшаться: ошибки отслеживания траектории и столкновения резко возрастают после 300 миллисекунд. Хирурги фактически работают хуже при задержках свыше 250–300 миллисекунд, что имеет серьёзные последствия для дистанционной хирургии.

Решение, основанное на предиктивных дисплеях, разработанных ещё в 1990-х годах, работало, но моделировало будущее состояние удалённой системы на основе команд оператора. Эти методы имеют ограничения, особенно в случае непредвиденных изменений окружающей среды или когда удалённый робот сталкивается с сопротивлением.

Вторая фундаментальная проблема — это тактильная коммуникация. Передача сигналов силы, крутящего момента и тактильной обратной связи по сетям требует высокой скорости передачи пакетов и подвержена потере пакетов и джиттеру, что снижает стабильность системы и производительность пользователя. Традиционные интернет-подключения часто не отвечают этим требованиям, что требует применения специализированных протоколов связи и алгоритмов управления.

Третья проблема — ситуационная осведомлённость оператора. Робот с камерами, закреплёнными на теле, обеспечивает ограниченный обзор по сравнению с человеком на объекте, который может активно сканировать поле зрения и осматриваться в пространстве. Это особенно проблематично в сложных или динамичных условиях. Хотя решения дополненной и виртуальной реальности (AR) могут помочь смягчить эту проблему, они могут привести к когнитивной перегрузке при представлении слишком большого объёма информации.

Ещё одним ограничением является пропускная способность сети. Передача видео высокого разрешения, 3D-сканов с лидара или других датчиков может быстро исчерпать доступную пропускную способность сети, особенно в подводных или космических миссиях, где пропускная способность ограничена.

Безопасность — ещё один ключевой вопрос. Источники ошибок многочисленны: сбои сети, непредвиденные физические взаимодействия и непредсказуемые условия окружающей среды. В критически важных приложениях, таких как хирургия или реагирование на стихийные бедствия, ошибки могут быть фатальными. Поэтому появляется всё больше литературы о надёжных системах управления, способных справляться с задержками, потерей пакетов и другими неопределённостями.

Этические и общественные противоречия: темная сторона дистанционного управления

Хотя телеуправление технически впечатляет, оно поднимает важные этические, правовые и социальные вопросы, которые до сих пор были решены лишь частично.

В телехирургии вопросы информированного согласия и автономии пациента играют ключевую роль. Языковые барьеры, различия в культурном отношении к роботизированной хирургии и различия в инфраструктуре здравоохранения значительно затрудняют этический надзор. Медицинская практика, механизмы ответственности и стандарты защиты данных в разных странах существенно различаются, что приводит к фрагментарности правового поля. В настоящее время не существует универсального нормативного акта, регулирующего эти процедуры.

Вопрос ответственности особенно деликатен. Если во время телехирургической операции происходит техническая ошибка, часто неясно, кто несёт ответственность: хирург, медицинское учреждение или поставщик технологий. В трансграничной телехирургии эта неопределённость ещё больше усугубляется различиями в национальных юрисдикциях.

Защита данных и их безопасность также являются ключевыми проблемами. Телехирургия передаёт конфиденциальную информацию о пациентах через границы, подвергая её потенциальным нарушениям безопасности и несанкционированному доступу. Соблюдение законов о защите данных, таких как GDPR в Европе или HIPAA в США, имеет решающее значение.

Другим ключевым аспектом является вопрос равного доступа. Хотя телехирургия может сократить разрыв в доступе к медицинской помощи между сельским и городским населением, а также между странами с высоким и низким уровнем дохода, реальность зачастую оказывается менее обнадеживающей. Дорогостоящие роботизированные системы и необходимая инфраструктура недоступны для многих стран и учреждений.

В военных целях и при ликвидации последствий стихийных бедствий существуют опасения относительно возможности злоупотребления. Телеуправляемые беспилотные летательные аппараты и роботизированные системы могут использоваться для разведки, наблюдения и даже наступательных операций, что поднимает вопросы международного регулирования и этики использования.

Ещё меньше изучено, но всё более тревожным является влияние на занятость. Поскольку телеуправление позволяет одному оператору управлять несколькими удалёнными роботами или передавать высококвалифицированную работу на аутсорсинг, рынки труда в некоторых секторах могут серьёзно пострадать. Рабочие места могут переместиться из высокооплачиваемых в низкооплачиваемые.

Будущие тенденции: новый горизонт дистанционного управления

Будущее телеуправления будет определяться несколькими сходящимися тенденциями, которые потенциально имеют преобразующий эффект.

Искусственный интеллект и машинное обучение всё чаще интегрируются в системы телеуправления, не для того, чтобы заменить человеческое управление, а для его улучшения. ИИ может помочь в планировании маршрута, прогнозировании препятствий и даже автоматизировать рутинные подзадачи, позволяя оператору-человеку сосредоточиться на принятии решений более высокого уровня. Прогностические модели способны предсказывать поведение роботизированных систем и компенсировать задержки связи.

Интерфейсы «мозг-компьютер» (BCI) представляют собой совершенно новый рубеж. Хотя традиционные интерфейсы, такие как джойстики или датчики, относительно интуитивно понятны, управление роботами посредством непосредственного захвата мозговых волн может радикально изменить пользовательский опыт. Исследования уже продемонстрировали системы, способные преобразовывать активность мозга в команды роботу с точностью около 80%. Такая система может быть особенно ценна в условиях ограниченной физической подвижности работников, например, на строительных площадках, под водой или в космосе.

Сети 5G и будущие сети 6G создадут фундаментальную инфраструктуру для глобальной телеуправляемости. Сверхнизкая задержка и более высокая пропускная способность этих сетей позволят осуществлять удалённые операции с беспрецедентной точностью и оперативностью.

Технологии виртуальной и дополненной реальности продолжают развиваться, создавая более захватывающие и интуитивно понятные интерфейсы управления. Операторы всё чаще смогут виртуально «попасть» в удалённое пространство и использовать свои естественные пространственные навыки для управления роботом.

Ещё одной важной тенденцией является интеграция роевой робототехники, где несколько роботов работают совместно. Дистанционное управление роем роботов создаёт уникальные проблемы, но также открывает возможности для значительного расширения возможностей реагирования на стихийные бедствия и проведения исследований.

Постоянное снижение стоимости аппаратного и программного обеспечения робототехники сделает телеуправление доступным для более широкого круга приложений и организаций. Например, система Hugo представляет собой более экономичную альтернативу da Vinci.

Ещё одна перспективная тенденция — сочетание телеуправления с автономными системами. Вместо полной автономии или телеуправления будущее может занять гибридный подход, при котором робот самостоятельно выполняет простые задачи или навигацию, а сложные решения или непредвиденные ситуации передаются оператору-человеку.

Наконец, международное сотрудничество в области телеуправления расширяется. Будет активизировано изучение международных стандартов и передового опыта, особенно в таких секторах, как медицина, где трансграничное сотрудничество весьма вероятно.

Решающая роль телеуправления в будущем цивилизации

Телеуправление — это больше, чем просто технологическая фишка или специальное решение для пограничных случаев. Это революционная технология, которая фундаментально меняет отношения между людьми и машинами, между локальным и глобальным присутствием, между риском и безопасностью.

Эта технология основана на простой истине: существуют задачи, которые люди не могут выполнять, потому что они слишком опасны, слишком удалены, слишком точны или требуют слишком много физических усилий. Телеуправление решает эту проблему посредством абстракции. Оно абстрагирует место действия от места его совершения. Оператор в Нью-Йорке может перемещать робота внутри зоны расплавления радиоактивных веществ с той же безопасностью и контролем, как если бы он находился в диспетчерской.

Современное применение телеуправления в хирургии, космосе, подводных операциях и ликвидации последствий стихийных бедствий демонстрирует глубокую актуальность этой технологии. Каждая из этих областей доказывает, что телеуправление не только эффективно, но и зачастую является единственным практическим решением критически важных проблем.

Эти проблемы, особенно задержка связи и тактильная обратная связь, не являются непреодолимыми. Однако они требуют постоянных инноваций в сетях связи, алгоритмах управления и интерфейсах взаимодействия с пользователем. 5G и будущие сети позволят решить многие из этих проблем.

Этические проблемы не менее реальны, но они характерны не только для телеуправления. Они представляют собой вариации на тему универсальных вопросов о технологиях, доступе, ответственности и справедливости. Необходимы продуманное регулирование, международные стандарты и открытое общественное обсуждение.

В будущем телеуправление, скорее всего, не будет заменено полной автономией, а скорее сольётся с ней. Гибридные системы, в которых роботы обладают автономными возможностями, но передают управление человеку-оператору для выполнения критически важных задач или устранения аномалий, могут стать доминирующей архитектурой.

Каково же окончательное понимание? Телеуправление – это воплощение фундаментальной человеческой способности: способности расширять свои возможности за пределы ограничений физического тела. Оно не заменяет человечность, а является её продолжением. В эпоху стремительной автоматизации и искусственного интеллекта телеуправление остаётся свидетельством непреходящей важности и ценности человеческого интеллекта, суждений и контроля. Оно не останется узкоспециализированной областью, а станет всё более заметной и важной частью современной технологической инфраструктуры. Рынок будет расти, технологии совершенствоваться, а общество научится использовать свои возможности и управлять рисками.

☑️ Наш деловой язык — английский или немецкий.

☑️ НОВИНКА: Переписка на вашем национальном языке!

Konrad Wolfenstein

Я был бы рад служить вам и моей команде в качестве личного консультанта.

Вы можете связаться со мной, заполнив контактную форму или просто позвоните мне по телефону +49 89 89 674 804 (Мюнхен) . Мой адрес электронной почты: wolfenstein ∂ xpert.digital

Я с нетерпением жду нашего совместного проекта.

☑️ Поддержка МСП в разработке стратегии, консультировании, планировании и реализации.

☑️ Создание или корректировка цифровой стратегии и цифровизации.

☑️ Расширение и оптимизация процессов международных продаж.

☑️ Глобальные и цифровые торговые платформы B2B

☑️ Пионерское развитие бизнеса/маркетинг/PR/выставки.

Наша глобальная отраслевая и деловая экспертиза в области развития бизнеса, продаж и маркетинга - Изображение: Xpert.Digital

Отраслевые направления: B2B, цифровизация (от искусственного интеллекта до расширенной реальности), машиностроение, логистика, возобновляемые источники энергии и промышленность

Подробнее об этом здесь:

• Xpert Business Hub

Тематический центр с идеями и опытом:

• Платформа знаний о мировой и региональной экономике, инновациях и отраслевых тенденциях
• Сбор анализов, импульсов и справочной информации из наших приоритетных направлений
• Место для получения экспертных знаний и информации о текущих событиях в бизнесе и технологиях
• Тематический центр для компаний, желающих узнать больше о рынках, цифровизации и отраслевых инновациях