Природный прототип для роев роботов
Такие животные, как летучие мыши, киты и насекомые, издавна использовали звук для общения и навигации. Вдохновившись этим, международная группа учёных разработала модель крошечных роботов, которые используют звуковые волны для перемещения и совместной работы в больших скоординированных роях, ведущих себя почти разумно. По словам руководителя группы Игоря Аронсона, профессора биомедицинской инженерии, химии и математики в Университете штата Пенсильвания, эти роботизированные коллективы в конечном счёте смогут выполнять сложные задачи, такие как исследование зон бедствия, очистка загрязнённой окружающей среды или проведение медицинских процедур внутри человеческого тела.
«Представьте себе рой пчёл или мошек, — сказал Аронсон. — Они движутся, создавая звук, и этот звук помогает им сохранять сплочённость, когда множество особей действуют как единое целое».
Результаты исследования команды были опубликованы в журнале Physical Review X.
Самоорганизующиеся машины с миссией
Поскольку эти миниатюрные звукоизлучающие микромашины могут самоорганизовываться, они способны перемещаться в ограниченном пространстве и восстанавливаться после повреждений. По словам Аронсона, такой коллективный или «эмерджентный» интеллект может сделать их полезными для очистки загрязнённых сред.
Помимо применения в сфере экологии, рои роботов однажды смогут работать внутри организма, доставляя лекарства непосредственно в нужные места. Их способность чувствовать изменения в окружающей среде и «самовосстанавливаться» позволяет им оставаться функциональными даже после отделения, что может быть особенно полезно для обнаружения угроз или использования в качестве усовершенствованных датчиков, считает Аронсон.
На пути к более умным и устойчивым микророботам
«Это значительный шаг на пути к созданию более умных, устойчивых и, в конечном счёте, более полезных микророботов с минимальной сложностью конструкции, которые могли бы решать некоторые из самых сложных проблем в нашем мире, — сказал он. — Результаты этого исследования крайне важны для разработки микророботов следующего поколения, способных выполнять сложные задачи и реагировать на внешние сигналы в сложных условиях».
Для исследования команда разработала компьютерную модель, позволяющую отслеживать движения крошечных роботов, каждый из которых оснащён акустическим излучателем и детектором. Они обнаружили, что акустическая связь позволяет отдельным роботам слаженно работать вместе, адаптируя свою форму и поведение к окружающей среде, подобно стае рыб или птиц.
В то время как роботы в статье были вычислительными агентами в рамках теоретической - или агентно-ориентированной —модели, а не физическими устройствами, которые были изготовлены, моделирование наблюдало появление коллективного разума, который, вероятно, проявился бы в любом экспериментальном исследовании с таким же дизайном, сказал Аронсон.
Удивительная интеллектуальность простых схем
«Мы никак не ожидали, что наши модели продемонстрируют такой высокий уровень сплочённости и интеллекта для столь простых роботов, — сказал Аронсон. — Это очень простые электронные схемы. Каждый робот может двигаться в определённом направлении, у него есть мотор, крошечный микрофон, динамик и осциллятор. Вот и всё, но, тем не менее, он способен к коллективному разуму. Он синхронизирует свой собственный осциллятор с частотой акустического поля роя и перемещается в сторону самого сильного сигнала».
Звуковые волны преобразуют активную материю
Это открытие знаменует собой новую веху в развивающейся области под названием «активная материя» — изучении коллективного поведения самодвижущихся микроскопических биологических и синтетических агентов, от скоплений бактерий или живых клеток до микророботов. Это открытие впервые показывает, что звуковые волны могут служить средством управления микророботами, объяснил Аронсон. До сих пор частицы активной материи управлялись преимущественно с помощью химических сигналов.
«Акустические волны гораздо лучше подходят для коммуникации, чем химическая передача сигналов, — сказал Аронсон. — Звуковые волны распространяются быстрее и дальше, почти без потери энергии, а конструкция намного проще. Роботы эффективно „слышат“ и „находят“ друг друга, что приводит к коллективной самоорганизации. Каждый элемент очень прост. Коллективный разум и функциональность возникают благодаря минимальному количеству компонентов и простой акустической коммуникации».