Рой маленьких роботов убрал с арены мусор и открыл двери

Своих похожих на тараканов роботов ученые заставили действовать вместе, объединив металлической проволокой, в будущем предлагают подселять к ним управляемых внешне «лидеров». Свои эксперименты над работами исследователи описали в Science Robotics Для того, чтобы заставить роботов роиться и действовать вместе, им нужны минимальные навыки — способность двигаться и, возможно, разворачиваться. В рой инженеры предлагают объединять самые разные виды роботов: от движущихся вибрирующих ботов и активных частиц с встроенной функцией передвижения в сложных полиморфных или светочувствительных роботов. В своей работе исследователи решили понаблюдать за пластиковыми небольшими (размером с таракана 4,5 на 1,5 сантиметра) работами, которые движутся с помощью вибрации и не имеют заранее запрограммированных маршрутов. После нескольких циклов вибраций на частотах от 150 до 60 герц, те начинают прямо двигаться со скоростью от 20 до 30 сантиметров в секунду. Ученые покрасили их в разные цвета, чтобы потом описать их движение и заточили в гибкий каркас из проволоки, чтобы объединить их в рой. Благодаря своей гибкости они позволят работам вместе преодолевать препятствия, а тем временем инженеры исследовать возможности такой активной материи.

В общем это и является основной целью экспериментов, ведь несмотря на ряд исследований движения простейших роботов и их самоорганизация в ограниченном пространстве, фундаментальная проблема предусмотреть макроскопические свойства системы.

Гибкие каркасы различных размеров (обычно длиной в несколько десятков сантиметров) из тонких металлических полос заполняли 20−30 работами и запускали в лабиринт с различными препятствиями, как-то простые перепонки, двери и даже «мусор», который работы должны рассортировать по углам арены. Работы имели два состояния: неупорядоченный хаотичный бег в центре каркаса и упорядоченный вблизи его стенок. При чем во втором случае, от которого в целом и зависело движение роя, они могли располагаться параллельно или перпендикулярно стенкам.

Однако, если увеличить количество захваченных проволокой роботов, они начинали образовывать кластеры, где отдельные особи начинали располагаться перпендикулярно поверхности каркаса, и тем самым перемещать всю конструкцию. Кластеры были достаточно стабильными, хотя время от времени теряли или набирали новых роботов в команду. Они периодически дрейфовали вдоль границы в направлении против часовой стрелки через небольшое смещение траектории отдельных роботов, которые имели тенденцию к бегу по кругу. Вся динамика системы зависела от самоорганизации роботов, исследователи никоим образом не приобщались к процессу, кроме как с камерой. Подвижность своей конструкции они объяснили способностью роботов выстраиваться параллельно друг другу и перпендикулярно к стенкам каркаса. Такое выравнивание — полярный порядок — вызывало появление силы, действующей перпендикулярно стенкам каркаса, и заставляло рой вообще двигаться в направлении этого выравнивания. Поэтому мобильность роботов целиком лежала на их ножках, а образованный ими полярный порядок стал основной движущей силой передвижения.

По словам ученых, первым шагом к автономности является способность решать простые задачи. Поэтому сначала конструкции пустили преодолевать узкие переходы в лабиринте, чтобы посмотреть, поможет самоорганизованность работам двигаться, а не застыть на месте. Так среднее время, которое рой тратил на преодоление одного узкого прохода на арене, зависел только от геометрии конструкции — потраченное время почти линейно увеличивается с увеличением длины сужения при фиксированной его ширины. Впоследствии ученые выяснили, что высокая самоорганизованность роя позволяет им проходить через гибкие двери, то есть прикладывать силу, а также тянуть грузы до половины своего веса. И конечно они все это делали гораздо эффективнее отдельных роботов. Также исследователи запустили на арену два роя роботов, чтобы посмотреть, как те справятся с уборкой арены. Интересно, что одна из конструкций оказалась быстрее и эффективнее, и со временем начала выталкивать из арены вторую конструкцию своих родственников.

Впрочем, все эти возможности организованных роботов можно еще улучшить, если наделить их внешним управлением. Так инженеры предлагают «подкинуть» в рой одного управляемого внешнего работа (например, светочувствительного или с дополнительным двигателем) и сделать его лидером роя, который будет побуждать других организовываться определенным образом. Лидеров можно будет использовать для управления динамикой сбора роботов, а также для различного характера кластеризации, чтобы, например, одни крутились по часовой стрелке, а другие — против. Тем более, что именно столкновения роботов заставляют их собираться в кластеры, робот-лидер станет простым и дешевым способом останавливать рой, стимулировать его движение, или, наоборот, запускать только отдельных особей.

Рои роботов способны выполнять множество полезных функций: от рисования красками на холсте к поиску источника утечки газа. Организуют их также по-разному: кому-то нужен лучше обученный ориентированный в пространстве лидер, а какому-то для роя будет достаточно светодиодного света,

Перевод материала nauka.ua