Ориентируясь на работу живых клеток, исследователи разработали простых в вычислительном отношении роботов, способных группироваться для перемещения, транспортировки объектов и выполнения других задач.
Это так называемая система из «частиц-роботов», созданная в совместном проекте исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и Колумбийского (Columbia University), Корнеллского (Cornell University) и Гарвардского (Harvard University) университетов. Система включает множество отдельных дискообразных устройств, учёные называют их частицами. Частицы неплотно соединены магнитами по периметру, и каждая из них может делать только две вещи: расширяться и сжиматься. Диаметр частицы в сжатом состоянии — около 15 см, в расширенном — 23. Если тщательно спланировать движение, отдельные частицы смогут согласовано толкать и тянуть друг друга. Встроенные датчики позволяют группе частиц продвигаться в сторону источников света.
В статье, опубликованной в Nature, исследователи описывают, как реальная группа из двух десятков частиц-роботов и виртуальная симуляция из более чем 100 тысяч частиц движутся через препятствия к лампочке. Также показано, что частица-робот может транспортировать помещённые на неё объекты.
Группа частиц-роботов может принимать различную форму и плавно преодолевать препятствия, сжимаясь для прохождения узких мест. Примечательно, что частицы конструктивно не связаны и не зависят напрямую друг от друга при функционировании, поэтому их можно добавлять и удалять без влияния на группу в целом. В статье исследователи показывают, что система из роботизированных частиц может выполнять задачу даже в случае выхода многих отдельных частиц из строя.
В статье представляется нетрадиционный взгляд на роботов, обычно считается, что они предназначены для одной задачи, состоят из множества сложных деталей и прекращают работу в случае неисправности одной из деталей. Исследователи утверждают, что роботы, состоящие из таких упрощённых компонентов, могут позволить создавать более настраиваемые, гибкие и надёжные системы.
«У нас есть небольшие роботизированные клетки, которые не очень эффективны по отдельности, но могут многое в группе, — говорят Даниэла Рус (Daniela Rus), директор Лаборатории информатики и искусственного интеллекта MIT (Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, CSAIL). — Сам по себе робот не двигается, но когда он соединяется с другими частицами-роботами, вместе они могут исследовать мир и контролировать более сложные действия. Частицы-роботы, являясь «универсальными клетками», могут принимать в группе различные формы, вместе двигаться, показывать разное поведение, и, как показали эксперименты, различать уровень освещённости».
Рус работает в Массачусетском технологическом институте над модульными роботами, подключаемыми друг к другу, на протяжении почти 20 лет. В том числе, над расширяющимся и сокращающимся кубическим роботом, который может соединяться с другими для перемещения. Но квадратная форма ограничивала совместное движение роботов и их конфигураций.
Каждая единица частиц-роботов имеет цилиндрическое основание, на котором размещена батарея, небольшой двигатель, датчики, определяющие интенсивность света, микроконтроллер и компонент для коммуникации, посылающий и принимающий сигналы. Сверху установлена детская игрушка, летающее кольцо Хобермана (Hoberman Flight Ring), она состоит из небольших панелей, соединённых в круг, их можно растянуть для расширения и сдвинуть для сжатия. В каждой из панелей установлено по два маленьких магнита.
Главное достижение учёных состояло в том, что они смогли запрограммировать роботизированные частицы, чтобы те расширялись и сжимались в точной последовательности, подталкивающей всю группу к источнику света. Для этого исследователи снабдили каждую частицу алгоритмом, с помощью которого анализируется информация от других частиц об интенсивности света.
Каждая частица постоянно передаёт сигнал, она делится информацией об уровне интенсивности света с другими частицами. Допустим, система измеряет интенсивность света по шкале от 1 до 10. Уровень интенсивности соответствует времени, в течение которого частица должна расширяться. Те, которые регистрируют наибольшую интенсивность, расширяются первыми. Когда они сжимаются, следующими расширяются частицы с девятым уровнем интенсивности, и т. д.
«Это создаёт волну механического расширения-сужения, которое перемещает скопление частиц в сторону объектов окружающей среды или от них, — говорит Шугуан Ли (Shuguang Li), ведущий автор исследования. — Ключевым является точный расчёт времени в общих синхронизированных часах внутри частиц, он позволяет двигаться наиболее эффективно».
В работе исследователи также показывают смоделированное перемещение систем из более чем 10 тысяч частиц, поддерживающих движение на половине от максимальной скорости даже при отказе до 20% от всех устройств.
«Это похоже на „серую слизь“, — говорит один из авторов исследования, Ход Липсон (Hod Lipson), ссылаясь на научно-фантастическую концепцию самовоспроизводящегося робота, состоящего из миллиардов нанороботов. — Новизна заключается в том, что у нашего робота нет централизованного управления, точки, из-за которой всё может отказать, нет формы, а у компонентов нет уникальности. Следующим шагом будет уменьшение компонентов для создания робота, состоящего из миллионов микроскопических частиц».