В смежных областях биоинспирации и биомиметики существуют обширные подходы к широкому спектру применений, включая проектирование зданий, материалы, строительство и робототехнику. Однако здесь рассмотрим биогибридную робототехнику не как форму биоинспирации, а как подмножество гибридных роботизированных обществ, в которых биологические организмы и роботизированные элементы осуществляют коллективное поведение на основе самоорганизации.
Понимая это, мы можем определить биогибридные жилые здания как те, в которых роботы, механические и живые биологические элементы - потенциально при взаимодействии с пользователями - совместно выполняют построенные структуры для человеческого обитания.
Строительство является актуальным применением биогибридной робототехники, поскольку биологические организмы превосходят биологические в производстве материалов с ограниченными ресурсами, а роботы превосходят роботов в гибком и программируемом управлении.
Хотя популярность и сложность автоматизации в архитектурном, инженерном и строительном секторах быстро растет, исследования биогибридной робототехники в настоящее время редки и являются новым направлением исследований.
В данной статье не рассматриваются все потенциальные аспекты биогибридных живых зданий, а уделяется особое внимание процессу строительства, включая такие операции, как осаждение и формование материала. Для зданий, в строительстве которых участвуют живые организмы, определяется важнейшая задача управления биологическим ростом или осаждением в формах или структурах, выполняющих строительные функции.
Они могут включать в себя не только конструктивную систему (возможно, многоэтажную), но и такие функции ограждающих конструкций здания, как затенение, теплоизоляция, влагоизоляция, воздушный барьер и поставка инженерных коммуникаций здания. Хотя биомеханические гибридные структуры, вероятно, могут быть построены только с помощью ручного управления, время роста, вероятно, будет длительным, а строительные задачи трудоемкими, что указывает на полезность автоматизации.
Кроме того, включение самоорганизующихся партнеров-роботов позволяет осуществлять непрерывное управление процессом полного биологического осаждения или роста, что неизбежно влечет за собой некоторую степень непредсказуемости. Для того, чтобы направлять и формировать биологические элементы в процессе строительства, роботы могут косвенно воздействовать на организм через конструкцию и манипулирование механическими лесами или непосредственно влиять на него, обеспечивая стимулы, характерные для данного вида.
Гибридные роботы и биология
Хотя исследования, изучающие строительный потенциал биогибридных роботов, проводятся редко, многие существующие примеры взаимодействия роботов с организмами могут быть основополагающими для новых применений. Растения и депонирующие материалы являются двумя основными категориями организмов, которые являются кандидатами на биогибридное строительство.
Сначала рассмотрим поведение этих двух категорий организмов, которое может быть полезным для направления или формирования их осаждения или роста в построенные артефакты. Далее мы рассмотрим роботов, взаимодействующих с биологическими организмами в различных масштабах, включая организмы, которые могут не иметь прямого отношения к задаче построения, поскольку их подходы к взаимодействию могут быть расширены полезными.
Организмы, которые являются кандидатами на биогибридное строительство
Материально-депонирующее поведение животных
Социальные насекомые (например, муравьи, медоносные пчелы, осы, термиты), коллективно строят "дома" (гнезда) децентрализованным и самоорганизованным способом. Их строительство происходит через низкоуровневые взаимодействия между собой и со средой обитания, которые они постоянно восстанавливают путем строительства.
Некоторые простые механизмы, такие как терморегуляция, проход тоннелей или вибрационная связь, воздействуют на характер осаждения материала насекомыми или его дальнейшее формирование. Более сложные механизмы включают распространение химических градиентов и модуляцию поведения животных на основе локальной концентрации этих веществ. Такими веществами могут быть феромоны, выделяемые королевой, выводком или строителями.
В качестве альтернативы феромонным градиентам могут также существовать градиенты плотности физического присутствия выводка, рабочих или строительных материалов, которые также могут выступать в качестве шаблона придания формы. Строительство может быть усложнено каскадами моделей поведения, изменяющих окружающую среду и вызываемых экологическими сигналами и сигналами, - явление, известное как стигмаргия.
Подводя итог, можно сказать, что стигматизация – это категория механизмов, с помощью которых социальные насекомые общаются между собой не напрямую, а реагируя на условия окружающей среды, которые могли быть изменены любым из насекомых. Одним из примеров этого является строительство гнезд термитов, где термиты не сообщают напрямую о том, что строить, а просто реагируют на уже размещенный материал, принимая свое индивидуальное решение о том, где разместить следующее.
Другой пример - в том, как муравьи кормятся, при этом они опять не общаются напрямую, а выбирают свой путь на основе феромонных троп, коллективно покинутых колонией. Наличие этих поведенческих циклов обратной связи и нелинейность отношений стимул-реакция может привести к значительному увеличению сложности образующихся гнезд.
Роботы, взаимодействующие с организмами
Один из описанных в литературе подходов к биогибридной робототехнике заключается в использовании в составе машины сконструированных тканей. В данном обзоре, посвященном применению роботов в строительстве, рассматриваются роботы, оказывающие влияние на нетронутые организмы, так как заинтересованы в их поведении при укладке или выращивании строительных материалов. Робототехника, содержащая биологические организмы, может иметь один из следующих типов взаимодействия:
· микромасштаб (т.е. связь с отдельными лицами),
· мезомасштаб (т.е. взаимодействие с группами в качестве искусственных агентов или с помощью местных стимулов)
· макромасштаб (т.е. глобальное воздействие на окружающую среду).
Из приведенных ниже роботов, взаимодействующих с животными, не все имеют дело с полезными для строительства организмами. Однако их подходы к взаимодействию могут быть изучены в отношении животных с депонирующим поведением.
Гибридизация зданий и биологии
В большинстве существующих биогибридных конструкций используется некоторая комбинация биологических организмов, ручных манипуляций и статических лесов или плесени. Как правило, они гибридизируют биологические и механические элементы, не включая автоматизацию.
Примеры, которые включают в себя роботизированные элементы, ограничены и обычно сосредоточены на автономном поддержании здоровья организма, а не на управлении движением или формировании морфологии. Существующие биомеханические гибридные структуры можно условно разделить на следующие категории:
· статические механические леса, поддерживающие биологические организмы;
· биологические источники энергии в зданиях;
· рост растений в форме несущих нагрузку элементов;
· формирование строительных компонентов из аморфного живого материала.
