Рой роботов научили двигаться благодаря расширению

Американские инженеры создали роботов, которые сами по себе способны только расширяться и уменьшаться в размерах, но в составе большой группы умеют двигаться в нужном направлении и передвигать предметы. Способность к коллективному движению сохраняется, даже если 20 процентов роботов вышли из строя, рассказывают авторы статьи в Nature.

В робототехнике существует отдельное направление, ставящее своей целью создание роящихся роботов и изучающее различные аспекты взаимодействия больших групп одинаковых устройств. Использование роя имеет некоторые преимущества перед использованием отдельных роботов. К примеру, при использовании роя дронов оператор может получать данные с множества камер с разных углов, но при этом управлять всем роем как единым объектом. Кроме того, рои устойчивы к поломке одного или нескольких элементов и тем самым повышают надежность системы.

Для изучения особенностей поведения роящихся роботов инженеры создают экспериментальные платформы. Одна из самых известных подобных платформ — килоботы. Это небольшие роботы, стоящие на трех ногах, перемещающиеся благодаря вибрации и передающие сигналы соседям. С их помощью ученые, к примеру, выяснили, что при бинарном выборе неопределившиеся члены группы помогают всей группе прийти к консенсусу. Ход Липсон (Hod Lipson) из Колумбийского университета и его коллеги разработали нового модельного робота для изучения механизмов взаимодействия роев роботов.

Робот представляет собой круг, диаметр которого может меняться от 15,5 сантиметра до 23,5 сантиметра. Увеличение размера происходит благодаря электромотору и механизму, раздвигающему пластиковые секции, установленные в верхней части робота. На каждой их этих секций располагается небольшой магнит, позволяющий роботам держаться вместе.

Сами по себе роботы могут лишь менять свой размер и оставаться на месте, но благодаря магнитной сцепке они способны двигаться вместе в определенном направлении. Авторы показали несколько возможных механизмов коллективного движения роботов. В основе этого движения лежит рассинхронизация фаз колебаний, при которой все роботы периодически расширяются и уменьшаются, но делают это не синхронно, а с некоторой задержкой, зависящей для каждого робота от того, где он располагается относительно всего роя. Это позволяет рою в целом двигаться в заданном направлении и поворачивать.

Кроме того, инженеры продемонстрировали более сложное поведение, при котором рой роботов стремится попасть поближе к источнику света. Для этого роботы оснащены датчиком света и передатчиком, с помощью которого они отправляют получаемые со своего датчика сигналы соседям. Благодаря этому роботы могут понять свое положение в группе и относительно источника света, и рассчитать фазовый сдвиг колебаний, пропорциональный получаемым данным о свете.

В конце 2018 года европейские исследователи воспроизвели с помощью килоботов реакционно-диффузионный механизм, в том числе отвечающий за морфогенез у живых организмов. Несмотря на отсутствие управления роем из единого центра, он показал сложное коллективное взаимодействие, в том числе способность «залечивать раны» в случае повреждений.

Григорий Копиев