8175
14 декабря 2020
Аяулым Белгибаева, химик, иллюстрация Айдара Ергали

Азамат Ешмухаметов, мехатроник и робототехник: «Мы использовали робота для сбора помидоров черри»

Проекты казахстанских ученых должны перерастать в стартапы

Азамат Ешмухаметов, мехатроник и робототехник: «Мы использовали робота для сбора помидоров черри»

ҒЫЛЫМ FACES — проект, цель которого представить казахстанских ученых — разного пола и возраста, живущих в Казахстане и за рубежом, представителей самых разных направлений науки, объединенных любовью к научным исследованиям.

Поручение роботам задач, сложных для выполнения человеческими руками, — уже не новость. Однако гибкость традиционных роботов обратно пропорциональна их размерам, и компактные роботы не могут выполнять задачи, требующие высокой точности. Наш герой, мехатроник и робототехник Азамат Ешмухаметов, создал очень гибкого, компактного робота, который, к тому же, умеет собирать помидоры черри.

Азамат родился и вырос в городе Талдыкоргане. Его отец, будучи энергетиком, возлагал большие надежды на сына именно в этой сфере, но Азамат с детства интересовался роботами и выбрал свой путь сам. После окончания Satbayev University, он учился в Великобритании и Японии по программе «Болашак». В этом году, получив степень PhD в японском университете Токай, он вернулся в Казахстан и сейчас учит студентов своей альма-матер создавать роботов нового поколения.

Мы поговорили с ним о том, почему для развития робототехники важно обращать внимание и на другие отрасли, почему у профессоров университетов нет времени на науку и в чем сложность в создании простого робота.

Аяулым Белгибаева: Как называется ваше научно-исследовательское направление?

Азамат Ешмухаметов: Мехатроника и робототехника. Мехатроника — это механика и электроника. Робототехника — не только роботы, но также устройства с компьютерным управлением, это автоматизация, изготовление инструментов, используемых на производстве.

Аяулым: Вы недавно вернулись из Японии, чем занимаетесь сейчас?

Азамат: Сейчас я преподаю в Satbayev University в качестве ассоциированного профессора (доцента) кафедры «Робототехника и технические средства автоматики». Мы со студентами начали новые проекты: первый — создание кардиоанализатора, второй — аппарата искусственной вентиляции легких, третий — мобильных роботов для сельского хозяйства. Кроме того, мы разрабатываем роботов для инспекции трубопроводов изнутри и роботов для мытья общественных туалетов.

Аяулым: Вы открываете собственную лабораторию?

Азамат: Да. Мы предоставили в администрацию университета смету на открытие новой лаборатории, запросили подходящее помещение и заказали всё необходимое оборудование, ожидаем получить его в новом году. У нас уже есть лаборатория, где я обучаю своих студентов работе на 3D-принтерах и 3D-моделированию.

Аяулым: Каково это — вернуться в Казахстан после Японии?

Азамат: В целом, как вы знаете, профессора в Японии больше похожи на менеджеров. Основная исследовательская работа выполняется студентами-магистрантами и докторантами. В Казахстане такая система есть только в Назарбаев Университете. Но постепенно мы перенимаем эту систему, здесь необходимо уметь использовать мотивацию и энтузиазм учащихся. Но сейчас, к сожалению, из-за того, что всё онлайн, большинство моих студентов уехали из города. Несмотря на это, мы часто проводим встречи, занятия и хотим тоже продвигать науку.

Аяулым: Когда вы заинтересовались наукой и робототехникой?

Азамат: В пятом классе я посмотрел мультфильм «Джимми Нейтрон — мальчик-гений». Джимми в своей лаборатории делал всё: робота-собаку, робота-кошку и т.д. Я был очарован, но не был уверен, что такое возможно в жизни. А уже в десятом классе посмотрел «Железного человека» (англ. «Iron man» — научно-фантастический фильм, вышедший в 2008 году. — прим. автора), и захотел сам создавать роботов.

Аяулым: И с тех пор вы начали делать роботов?

Азамат: В то время вообще не было доверия к сфере робототехники, много было разговоров в духе: «У нас нет роботов, значит, и работу не найти». Мой отец инженер-энергетик, поэтому он обучил меня энергетике, в том числе электрике. Когда пришло время поступать в университет, он сказал, что мне лучше выбрать специальность инженера-энергетика. Я согласился, а на деле подал на робототехнику.

Аяулым: Как родители восприняли ваше решение?

Азамат: Большинство людей думают, что робототехника — либо только программирование, либо электроника или механика. Механики называют себя «робототехниками», двое других говорят, что «мы также делаем робототехнику». Но это не так, нужно знать и то, и другое, и третье. Это непросто, но позволяет стать разносторонним специалистом. Если честно, я сейчас не жалею об этом. Родители всё поняли и сказали: «Лишь бы ты учился», и, в конце концов, приняли мой выбор.

Аяулым: В каком университете вы учились?

Азамат: В 2008 году я поступил на бакалавриат бывшего Казахского национального технического университета, ныне Satbayev University, на специальность «Приборостроение». Из трех специальностей я выбрал мехатронику и робототехнику.

Аяулым: Как вы попали в Японию?

Азамат: После окончания университета в 2012 году я подал заявку на программу «Болашак» и поступил на магистратуру в Японии. По этой программе у меня была возможность учить английский один год. С 2013 по 2014 год я изучал английский в языковой школе «INTO language school» в Ньюкасле, Великобритания. Я прошел такие курсы, как «Академическое письмо», «Критическое мышление», «Подготовка к магистратуре». После этого подал документы в Университет Токай. Я впервые приехал в Японию в 2014 году и до 2016 года учился в магистратуре.

Аяулым: В магистратуре Японии большое внимание уделяется научной работе. Какие исследования вы провели?

Азамат: Моим исследовательским проектом магистерского тезиса было создание гибридного робота. Роботы по своей архитектуре бывают двух видов: последовательные и параллельные, но возможности каждого по-своему ограничены. Для расширения возможностей роботов я объединил эти две архитектуры и создал робота-гибрида. Когда мне предложили его разработать, я как раз увидел видео трагедии на башне Esentai. Тогда люди, мывшие окна, сорвались с высоты и погибли. Тогда я решил, что разработаю робота-альпиниста. У нас это получилось, но мы не смогли провести так много тестов, как хотелось бы.

В Казахстане нет большого спроса на роботов-альпинистов, поэтому мы оставили идею и перешли в другую сферу.

Аяулым: Вы поступили на программу PhD сразу после окончания магистратуры?

Азамат: Нет. В 2016-2017 годах я работал преподавателем в Satbayev University и занимался обучением студентов. Потом появилась возможность учиться по программе PhD в Университете Токай. Ректор Искандер Калыбекович Бейсембетов пригласил меня и сказал, что если я буду учиться в докторантуре, университет окажет мне полную финансовую поддержку. Я с радостью согласился. Итак, год спустя я опять подал документы и поступил в Университет Токай на программу PhD, и с 2017 по 2020 года учился в докторантуре. В июне этого года я защитил диссертацию, а в конце сентября получил докторскую степень.

Аяулым: Похоже, что Satbayev University уделяет большое внимание развитию робототехники, раз там решили профинансировать ваше обучение в Японии. Что является причиной этого?

Азамат: На мой взгляд, цель администрации университета и ректора и основная причина, почему я не раздумывая последовал за Искандером Калыбековичем, заключается в том, что если предыдущие ректоры гордились историей вуза, то этот человек сам создает историю. Он возлагает большие надежды на индустрию робототехники. Я для себя решил, что мне оказана большая честь и что я должен оправдать его доверие. Искандер Калыбекович прагматик, он видит, как меняется мир. В конце концов, мы все придем к робототехнике. Я очень благодарен нашему ректору за то, что он предвидел мировую тенденцию и поддержал её в Казахстане.

Аяулым: Кто еще работает в сфере работотехники в Казахстане?

Азамат: Хорошая школа робототехники есть в Назарбаев Университете. Там есть молодые учёные, которых я знаю, такие, как Алмас Шинтемиров, Куат Телегенов. Проекты, над которыми они работают, просто отличные. А по подготовке специалистов могу отметить КарГТУ и Satpayev University. Есть и другие университеты, где имеются специальности, называемые робототехникой. Например, в Международном IT-университете преподают только программирование. Но без владения электроникой и механикой, только с помощью одного программирования, невозможно привнести новые тенденции и инновации в робототехнику. Недавно в Казахском национальном университете им. аль-Фараби открыли факультет, но там акцент на механику, а этого недостаточно.

Аяулым: То есть в Satbayev University можно овладеть всеми тремя направлениями, необходимыми для робототехники?

Азамат: Да. Учебная программа Satbayev University включает основное и второстепенное направления. Основное направление — это основная специальность, второстепенное — дополнительная. Поэтому во время учебы, например, можно изучить не только механику, но и электронику, программирование. Наша кафедра делает не только роботов, но и станки, 3D-принтеры, мехатронику, автоматизацию, всё это делаем мы сами. Например, возьмем аппарат искусственной вентиляции легких, который сейчас создаётся. Вы его соберете, но для запуска двигателей ему нужна электроника. Для управления электроникой нужен контроллер, и вы должны все это запрограммировать, написать код. Если вы не овладеете всем этим процессом, вы ничего не сможете сделать. Научить всему этому и есть наша основная задача.

Аяулым: Похоже, что у робототехники в нашей стране большие перспективы. Растет ли интерес к этой сфере среди школьников?

Азамат: Да, сейчас робототехнику практикуют не только в вузах, но и в школах. Недавно я был в составе жюри на конференции школьников по робототехнике, были представлены отличные разработки. Лучшее для университетского преподавателя — видеть огонь в глазах студента, видеть его мотивацию. Потому радует, что школьники начинают интересоваться робототехникой и прилагают такие усилия еще со школы.

Аяулым: Расскажите о разработке робота. С чего надо начинать? Из каких шагов состоит исследование?

Азамат: Хороший вопрос. Во-первых, мы не просто так создаем роботов, мы выбираем какую-либо проблему, изучаем её, исследуем со всех сторон. Если есть технические решения аналогичных проблем, мы адаптируем и развиваем эти решения для выбранных нами проблем. А если таких решений нет, мы сами делаем симуляции.

Аяулым: Как вы это делаете?

Азамат: Например, как должен двигаться робот? Я часто представляю себя этим роботом и пытаюсь самостоятельно совершать необходимые движения. Выставляю параметры робота, такие как длина, ширина. Мы также рассчитываем, насколько робот должен растягиваться и ложиться. Когда я симулирую робота, я думаю о том, какие двигательные аппараты я буду использовать, какой длины должен быть робот, сколько соединений должно быть, какая степень свободы нам нужна. Простому роботу достаточно и 2-3 степеней свободы.

Аяулым: Как вы ведете расчеты?

Азамат: Например, сейчас мы работаем над конструкцией робота для мытья общественных туалетов, и я дома сам мою туалет. Измеряю ширину и длину туалета, стараюсь дотянуться, понимаю, что робот должен быть длиннее моей руки, всё это записываю. После записи заметок мы обязательно вычисляем код процесса работы. В зависимости от моей траектории движений, я создаю математическую модель прямого движения робота с головы до пят и обратного движения.

Аяулым: Пользуетесь ли вы специальными программами или инструментами?

Азамат: Расчеты ведем в программе CAD (англ. computer-aided design, компьютерная поддержка проектирования) и создаем моушн-дизайн робота. Потом уже печатаем детали на 3D-принтере, собираем и экспериментируем. Дизайн робота — очень сложный и при этом творческий процесс. Некоторые детали могут не совпасть или работать некорректно. Если есть нестыковки, меняем детали минимум 3-4 раза и в итоге создаем исправно функционирующего робота. Процесс создания очень долгий.

Аяулым: Как вы оцениваете эффективность роботов?

Азамат: Она оценивается в зависимости от функции. Сначала даем роботу задание. Во-первых, сможет ли он её выполнить? Если да, то следующий вопрос: насколько точно он сможет выполнить задание? Сколько времени это занимает? Если человек делает что-то за 10 секунд, а робот за одну минуту, то в этом случае наиболее эффективным будет использование рабочей силы самого человека. Поэтому мы ускоряем время выполнения задачи роботом. Чтобы его ускорить, нужно рассчитать динамику робота с учетом инерции. В противном случае, робот не сможет контролировать свои движения. И последнее — простота. Создание простого робота — очень сложный процесс, куда проще сделать более сложного робота.

Аяулым: Вы просто смотрите и засекаете время? Вам не нужны специальные приспособления?

Азамат: Обязательно нужен специальный прибор. Мы используем трекер, он показывает траекторию, точность и время движения робота. С помощью стереокамеры, установленной над роботом, оценивается чистота работы.

Аяулым: О чем ваша диссертация? Во всех ваших статьях есть фраза «континуум робот». Что это означает?

Азамат: «Континуум робот» — мягкий робот.

Наши традиционные роботы не могут заходить в узкие пространства, а у континуум роботов есть прекрасная возможность заходить в узкие, труднодоступные места и проводить инспекции, сварочные работы.

Такой робот может не только следить за процессами во время инспекции, но и обрабатывать полученную информацию. Еще одна область применения — сельское хозяйство, мы использовали его для сбора помидоров-черри.

Аяулым: Какое научное открытие вы сделали?

Азамат: В нашем роботе мы использовали «hyper-redundant» двигатели. Обычно количество используемых двигателей должно равняться степени свободы робота, а в «hyper-redundant» режиме степень свободы робота намного больше, чем количество используемых двигателей. Другими словами, с помощью четырех обычных двигателей можно получить 4-5 степеней свободы, а у моего робота, при таком же количестве двигателей, 18 степеней свободы. Поскольку обычные технологии не подходят для управления таким сверхгибким роботом, мы использовали машинное обучение для его управления, что открыло новые возможности в робототехнике.

Аяулым: Есть ли «карьерный рост» в робототехнике? Например, переход от простого к сложному.

Азамат: Независимо от сферы работы, всегда есть стремление к самому трудному. Робототехника — не исключение. Великие учёные, которых я знаю, после разработки роботов, выполняющих особые задачи, переключались на разработку двигателей для роботов. К сожалению, существующие сейчас двигатели очень просты.

Развитию функциональных роботов мешает отсутствие двигателей и приводов нового поколения. По мере «карьерного роста» в робототехнике, многие ученые переключаются на разработку таких приводов.

Аяулым: Неужели новые приводы настолько важны?

Азамат: Создание простого робота решает только одну проблему в робототехнике, а если вы придумаете новый привод, вы, тем самым, откроете новое направление в робототехнике. Разработка простого небольшого двигателя вместо большого робота умножает ваш вклад в развитие робототехники. Робот решает только небольшую, локальную проблему, а двигатель — множество проблем. Вот почему многие ученые стремятся к этому.

Аяулым: Планируете ли вы перейти в это направление в будущем?

Азамат: Да, потому что современные двигатели не соответствуют нашим требованиям. Во-первых, это дорого, во-вторых, ими сложно управлять. Мы управляем роботом через энкодер. Он обеспечивает такие характеристики, как частота вращения двигателя. При использовании проводных двигателей, управлять роботом становится сложнее. Поэтому в будущем мы планируем создать беспроводные движки. Кроме того, современные двигатели имеют небольшое количество датчиков. Чем больше датчиков мы добавляем, тем хуже выглядит робот. Чтобы создать красивого робота, нужно разработать мультисенсорные движки.

Аяулым: Кажется, построить робота несложно, если знать общую технологию. Ваши студенты создают стартапы. Почему вы выбрали науку вместо того, чтобы открыть собственный стартап и заняться бизнесом?

Азамат: В принципе, мы уделяем одинаковое внимание и науке, и стартапам. Наша сфера является прикладной, поэтому проекты должны перетекать в стартапы. Я это видел в Стэнфордском университете: профессора передают свои идеи и проекты студентам и открывают им дорогу к стартапам. У нас то же самое. В этом нет ничего плохого. Можно использовать их в качестве профориентации для студентов, и финансовая помощь тоже есть, мы отправляем их на стажировки, создаем собственное производство и рабочие места.

Аяулым: Считаете ли вы себя учёным? По-вашему, кто такой учёный?

Азамат: Учёный — человек, который ищет решения сложных проблем, чтобы облегчить человеческую жизнь. Например, я сейчас изучаю вопрос общественных туалетов. В отличие от Японии, в Казахстане сложно содержать их в чистоте. В случае сельского хозяйства, вопрос сокращения рабочей силы очень актуален. Я считаю человека учёным, если он способен найти технические решения таких сложных проблем. Работа учёных должна приносить пользу обществу. Взять, к примеру, детские подгузники, какая полезная вещь! Мне тоже хотелось бы, чтобы моё имя осталось в истории, чтобы каждый раз, когда люди будут пользоваться роботами, которых я создал, они бы говорили: «Без этого изобретения наша работа была бы сложнее, спасибо учёному, который её изобрел!»

Аяулым: Что вам нужно для комфортной работы в Казахстане?

Азамат: Больше всего нам не хватает финансов и производства. Ладно, мы как-нибудь найдем деньги, а вот отсутствие производств имеет большое значение. Необходимые запчасти нам приходится импортировать. Например, в Японии были компании, которые могли производить запчасти по нашему дизайну. Мы только заказывали, а они всё делали сами за одну-две недели. В результате этого мы работали очень быстро. В Казахстане же мы ждем запчасти 2-3 месяца, чтобы что-то создать, в итоге мы устаем, у нас появляются новые идеи, а заказ уже становится не нужен. Я считаю, что нам нужно развивать производство.

Аяулым: Вы когда-нибудь подавали заявки на гранты? С какими проблемами вы сталкивались?

Азамат: Да, подавал. В Казахстане существует следующая проблема с заявками на гранты: заявление должно быть написано на трех языках, казахском, русском и английском. А размер заявки обычно превышает 20 страниц. После написания на одном языке его следует перевести еще на два. Здесь много бюрократии. Заявки всегда корректируются, при изменении одного, необходимо изменить все три. Было бы лучше облегчить этот процесс.

Аяулым: Есть мнение, что в Назарбаев Университете наука развивается быстро, а в других университетах этот процесс замедлен. Вы как думаете?

Азамат: Да, согласен. Я ощущаю это на себе. Например, если одна ставка преподавателя в Назарбаев Университете составляет 6 часов лекций, то в других — 22 часа. Сейчас я преподаю 22 часа в неделю на трех языках: казахском, русском и английском, и у меня 8 дисциплин. После такой нагрузки совсем не до науки, всё время уходит только на учебный процесс. Поэтому со следующего семестра планирую сократить педагогические часы и перейти на научные.

Аяулым: А как было в вашем университете в Японии?

Азамат: В Университете Токай преподаватели делятся на две группы: одна занимается чисто наукой, а другая только преподает. Преподавателям, конечно, платят больше, потому что учить нелегко. Из 10 выпускников со степенью PhD могут преподавать только двое, а остальные — нет. Ведь обучение — это творчество, у человека должен быть талант, немногие люди могут учить. Объяснить и донести кому-то то, что вы знаете, очень сложный процесс.

Аяулым: Наверное, разница не только в количестве часов в наших вузах?

Азамат: В Satpayev University много административной работы, у нас ещё есть нагрузка эдвайзера, но главное — финансы. Зарплаты преподавателей Назарбаев Университета и других вузов несопоставимы, как говорится, это небо и земля.

Большинство наших преподавателей работают в 2-3 вузах, в итоге 40 часов в неделю уходит на лекции. При такой нагрузке даже непонятно, когда и как заниматься наукой.

Аяулым: В Назарбаев Университете профессор — это академическая должность, а в других университетах это научное звание, присуждаемое Высшей аккредитационной комиссией (ВАК). Как в Satpayev University?

Азамат: Профессор, назначенный ВАК, может работать профессором в любом университете Казахстана. А я ассоциированный профессор (доцент) только в Satpayev University, в других университетах у меня такого звания нет. Но это всего лишь звание, твое имя прославляют твои работы и твои научные статьи, и к этому нужно стремиться. У профессора h-индекс может быть меньше 2, а у молодых лекторов он может быть намного выше.

Аяулым: Да, я слышала, что после обучения за границей можно сразу стать профессором в любом университете, кроме Назарбаев Университета. Меня заинтересовало, так ли это, и потому проверила требования для получения степени профессора ВАК. Оказывается, необходимо опубликовать около десятка статей, учебников и книг в местных издательствах, рекомендованных ВАК. Среди них нет международных журналов.

Азамат: Да, статьи в основном публикуются на русском языке, а кроме учёных из стран СНГ, никто не понимает русский. И нельзя сказать, что уровень науки в СНГ намного выше, чем в остальном мире. Кажется, что люди, написавшие такие требования, адаптировали всё под свои интересы. Однако, при отсутствии статей, опубликованных в международных журналах Q1, Q2, я не думаю, что звание профессора имеет смысл (Q-квартиль указывает на актуальность журнала в научной области, журналы в первом и втором квартилях составляют, соответственно, первые 25 и 50 процентов списка в порядке убывания релевантности всех журналов в определенной области. — прим. автора).

Аяулым: Некоторые наши профессора говорят: «Нам не нужно писать статьи для зарубежных журналов, наши идеи украдут другие».

Азамат: Я тоже так думал, так они и мне говорили когда-то. Но сейчас, честно говоря, я был бы счастлив, если бы кто-нибудь «украл» мою идею. Для меня было бы большой честью и радостью, если бы моя идея жила в другом месте и вышла на рынок от имени другой компании. Я считаю, что учёные должны после себя оставить свою научную работу и имя. Поэтому очень важно писать статьи для международных журналов. Это очень сложный процесс, ведь нужно уметь заинтересовать научного эксперта. Даже если мы занимаемся наукой, мы должны привлекать и удивлять эксперта. Если ваша статья опубликована за рубежом и цитируется мировыми экспертами в своей работе, значит, они признают вас учёным. Это повысит не только вашу репутацию, но и рейтинг университета, и страны в целом.

Аяулым: По рассказам наших предыдущих героев, при написании научных статей и публикации их в журналах, научные эксперты скептически относятся к качеству работы казахстанских ученых. Некоторые эксперты даже приезжали в нашу столицу, чтобы воочию убедиться в том, можно ли создать такое в Казахстане. Есть ли такая проблема в робототехнике?

Азамат: Да, были случаи, когда наши статьи возвращали обратно через 2-3 дня, даже не отправляя на рецензию. Если же материал будет отправлен из Университета Токай, то его рассмотрят и отправят на рецензию.

Аяулым: Почему?

Азамат: Это ошибка, которую мы допустили в области науки. Когда-то, во времена старшего поколения, наших дедушек и бабушек, были другие приоритеты. Конечно, нельзя их винить в этом. Когда советская власть рухнула, положение стало критичным и встал вопрос о выживании. Кризис того времени коснулся всех. До этого в нашей стране была хорошая наука, мы всё ещё обращаемся к книгам той эпохи. Но за последние 20 лет наука, похоже, умерла. Финансовой поддержки не было, а людей, занимавшихся наукой, можно было по пальцам пересчитать. Конечно, если в журнал поступит статья из развивающейся страны, например из Казахстана, где социально-экономическая ситуация нестабильна, вы, как эксперт, отнесетесь к этому скептически.

Аяулым: И последний, традиционный вопрос нашего проекта. Казахстанская наука: пациент скорее жив или мертв?

Азамат: Мне кажется, что наука в Казахстане только начала развиваться. Сейчас уже не так, как 10 лет назад, когда количество статей, опубликованных в международных журналах, было практически нулевым. Сейчас количество людей, пишущих статьи для международных журналов с высоким импакт-фактором, увеличилось. Больше выделяют денег, поэтому считаю, что казахстанская наука только зародилась.