Биолог, ставший инженером: Барбара Маццолаи создаёт роботов во имя устойчивости

Барбара Маццолаи всю жизнь учится у природы — и теперь хочет, чтобы созданные ею технологии возвращали долг окружающей среде. Начав карьеру биологом, она случайно перешла в инженерию и стала одним из первых первопроходцев биоинспирированной робототехники. Опираясь на знание о том, как живые системы решают самые разные задачи, она создала роботов, вдохновлённых осьминогами, корнями растений и даже семенами. «Меня всегда завораживали живые организмы и невероятное разнообразие решений, которые отобрал эволюционный процесс», — говорит она.

Сегодня Маццолаи занимает должность заместителя директора по робототехнике в Итальянском институте технологий в Генуе и руководит лабораторией биоинспирированной мягкой робототехники. За её плечами магистратура по биологии в Пизанском университете, магистратура по схемам экологического менеджмента и аудита в Высшей школе Святой Анны и докторская степень по микросистемной инженерии в Римском университете Тор Вергата. Но она уверена: инженерия обязана считаться с собственным воздействием на природу. Именно поэтому исследовательница продвигает новое направление, которое называет «робототехникой устойчивости».

В июле в журнале Nature Machine Intelligence она вместе с коллегами опубликовала манифест — видение нового подхода к проектированию роботов, призванного улучшить отношения между природой, человеком и технологиями. «Нам нужно сократить след, который оставляют наши технологии, — говорит она. — Речь действительно о том, чтобы мыслить иначе и открыть новые возможности и для робототехники, и для общества». В этом новом образе мысли устойчивость становится не прикладным дополнением, а сердцевиной дизайна.

Любовь к живому миру у Маццолаи родом из детства на тосканском побережье неподалёку от портового Ливорно. Её отец был инспектором общественного здравоохранения и профессиональным микологом, и семья проводила много времени в лесах, изучая местные грибы и растения. Некоторое время девушка всерьёз рассматривала карьеру художника — это была её вторая большая страсть, — но в итоге в 1987 году поступила в Пизанский университет изучать биологию. Особенно её привлекала морская биология, однако незадолго до получения магистерской степени в 1995 году она получила исследовательскую позицию в Институте биофизики Национального исследовательского совета Италии, где занялась изучением круговорота тяжёлых металлов вроде ртути в живой и неживой среде. Она собирала и анализировала пробы воды, почвы, овощей и даже человеческого организма, чтобы понять, как эти металлы влияют на здоровье и экологию. Параллельно она училась экологическому менеджменту в Высшей школе Святой Анны в Пизе и получила там вторую магистерскую степень в 1998 году.

Примерно тогда она узнала, что университет ищет биологов для разработки новых устройств экологического мониторинга. Маццолаи подала заявку, получила место в 1999 году и начала работать научным ассистентом под руководством известного биоробототехника Паоло Дарио — сначала над сенсорами, а затем над роботами для контроля воздуха, воды и почвы. Ещё до поступления в докторантуру её повысили до ассистент-профессора в 2004 году, и вскоре она совершила свой первый выход в биоинспирированную робототехнику: вместе с коллегами из Школы Святой Анны она участвовала в создании мягкого робота, вдохновлённого осьминогом. «Мы предложили его как парадигму, запускающую саму идею мягкой робототехники: показать, что робот может быть мягким и при этом прикладывать значительное усилие к окружающей среде, как это делает животное», — объясняет она.

В 2007 году Маццолаи поступила в докторантуру по микросистемной инженерии в римском университете Тор Вергата, совмещая учёбу с работой в Школе Святой Анны. Она уже активно использовала методы микрофабрикации для создания сенсоров своих роботов и хотела продвинуть это направление дальше. По её словам, роботы часто оснащаются сенсорами восприятия — тактильными или проприоцептивными, — но эти системы обычно сосредоточены на понимании положения робота в пространстве. «А вот роботов, которые интегрируют физические или химические сенсоры, чтобы действительно понимать среду, в которой движутся, мало», — добавляет она.

В 2009 году Маццолаи возглавила исследовательскую группу в Центре микробиоробототехники Итальянского института технологий, где продолжила работу в только зарождавшейся области биоинспирированной робототехники. Два года спустя она защитила докторскую и была назначена директором центра. Примерно тогда же, по её словам, она заинтересовалась использованием растений как модели для новых видов роботов — так биоинспирация вышла за пределы животного мира. Особенно её захватила способность корней эффективно исследовать подземную среду, и она представила машины с такой же ловкостью, которые могли бы пригодиться и в экологическом моделировании, и в точном земледелии.

Когда она впервые предложила эту идею, коллеги отнеслись к роботам на основе seemingly неподвижных организмов с некоторым скепсисом. Но в действительности растения движутся непрерывно — через процесс, известный как неопределённый рост. «Они растут буквально всю свою жизнь, — говорит исследовательница. — Они адаптируют свою морфологию и поведение к внешней среде, они восстанавливаются, чувствуют, общаются». Попытка воспроизвести систему, работающую по совершенно иным принципам, чем классическая робототехника, потребовала серьёзных размышлений. Маццолаи признаёт: работа в биоинспирированной робототехнике иногда требует от человека существовать словно в двух отдельных мирах — мире инженерных ограничений и мире эволюционной изобретательности, — и именно на стыке этих миров она и строит своё новое поле.