Інженери навчили крихітних «бездумних» роботів, які рухаються за допомогою вібрації, об'єднуватися у групи та разом долати перешкоди, виносити сміття та носити невеликі вантажі. Cвоїх схожих на тарганів роботів вчені змусили діяти разом, об'єднавши металевим дротом, хочу у майбутньому пропонують підселяти до них керованих зовні «лідерів». Свої експерименти над роботами дослідники описали у Science Robotics.
J. F. Boudet et al. / Science Robotics, 2021
Навіщо інженерам запускати «бездумних» роботів?
Для того, щоб змусити роботів роїтися та діяти разом, їм потрібні мінімальні навички — здатність рухатися та, можливо, розвертатися. Однак вже об'єднані у групу такі роботи можуть значно обходити за можливостями здібності окремих частинок — гуртові зусилля перетворюють їх на справжню багатофункціональну систему. У рій інженери пропонують об'єднувати найрізноманітніші види роботів: від рухомих вібруючих ботів і активних частинок з вбудованою функцією пересування до складніших поліморфних чи світлочутливих роботів. У своїй роботі дослідники вирішили постежити за пластиковими невеликими (розміром з таргана 4,5 на 1,5 сантиметра) роботами, які рухаються за допомогою вібрації та не мають заздалегідь запрограмованих маршрутів. Після кількох циклів вібрацій на частотах від 150 до 60 герців, ті починають прямо рухатися зі швидкістю від 20 до 30 сантиметрів на секунду. Вчені пофарбували їх у різні кольори, щоб потім описати їхній рух та заточили у гнучкий каркас із дроту, щоб об'єднати їх у рій. Завдяки своїй гнучкості вони дадуть змогу роботам разом долати перешкоди, а тим часом інженери досліджуватимуть можливості такої активної матерії.
Загалом це і є основною метою експериментів, адже не зважаючи на ряд досліджень руху найпростіших роботів та їхньої самоорганізації в обмеженому просторі, фундаментальною проблемою залишається можливість передбачити макроскопічні властивості системи. Це і вплив на неї обмежень, і тиск на ці обмеження роботів, і загалом патерни їхньої самоорганізації та способи керування нею. До прикладу, використаний у цих експериментах гнучкий дріт для об'єднання роботів, матиме набагато більш складну фізику та викликатиме нетривіальні форми організації «роборою». Також не зрозуміло, як наявні у системі сили змінюватимуться за мінливих умов навколишнього середовища, які створюватимуть вчені. А все це необхідно для використання таких конструкцій з «бездумних» (mindless) роботів у корисних цілях, а не лише лабораторних перегонах у контейнерах.
Так вчені вивчали траєкторію руху свого рою, стягнутого дротом. A) експерименти та (B) моделювання. Зверніть увагу, що роботи самостійно утворюють скупчення, яке обертається, і тим самим досліджує стінки лабіринту, щоб знайти вихід. J. F. Boudet et al. / Science Robotics, 2021
Що об'єднало роботів у рій?
Гнучкі каркаси різних розмірів (зазвичай довжиною у кілька десятків сантиметрів) з тонких металевих смуг заповнювали 20-30 роботами та запускали у лабіринт із різними перешкодами, як-то прості перетинки, двері та навіть «сміття», яке роботи мали б розсортувати по кутках арени. Роботи мали два стани: неврегульований хаотичний біг у центрі каркаса та впорядкований поблизу його стінок. Причому у другому випадку, від якого загалом і залежав рух рою, вони могли розташовуватися паралельно або перпендикулярно стінкам. Так за невеликої кількості роботів, вони надавали перевагу вишиковуватися паралельно стінці. А після кількох зіткнень сусідами, більшість роботів вирівнювалася в одному напрямку, викликаючи вихровий рух. Так здійснювався лише непостійний випадковий рух.
Однак, якщо збільшити кількість захоплених дротом роботів, вони починали утворювати кластери, де окремі особини починали розташовуватися перпендикулярно поверхні каркаса, і тим самим переміщувати всю конструкцію. Кластери були досить стабільними, хоча час від часу втрачали чи набирали нових роботів у команду. Вони періодично дрейфували уздовж кордону в напрямку проти годинникової стрілки через невеликий зсув траєкторії поодиноких роботів, які мали тенденцію до бігу по колу. Вся динаміка системи залежала від самоорганізації роботів, дослідники жодним чином не долучалися до процесу, окрім як з камерою. Рухливість своєї конструкції вони пояснили здатністю роботів вибудовуватися паралельно один одному і перпендикулярно до стінок каркаса. Таке вирівнювання — полярний порядок — спричиняло появу сили, що діяла перпендикулярно стінками каркаса, що і змушувало рій загалом рухатися у напрямку цього вирівнювання. Тож мобільність роботів цілком лежала на їхніх ніжках, а утворений ними полярний порядок став основною рушійною силою пересування.
J. F. Boudet et al. / Science Robotics, 2021
То вони самі вирішували, куди рухатися?
За словами вчених, першим кроком до автономності є здатність розв'язувати прості завдання. Тож спершу конструкції пустили долати вузькі переходи у лабіринті, щоб подивитися, чи допоможе самоорганізованість роботам все ж рухатися, а не застигнути на місці. Так середній час, який рій витрачав на подолання одного вузького проходу на арені, залежав лише від геомерії конструкції — витрачений час майже лінійно збільшується зі збільшенням довжини звуження за фіксованої його ширини. Згодом вчені з'ясували, що висока самоорганізованість рою дає їм змогу проходити через гнучкі двері, тобто прикладати силу, а також тягнути вантажі до половини своєї ваги. І звісно вони все це робили набагато ефективніше за поодиноких роботів. Також дослідники запустили на арену два рої роботів, щоб поглянути, як ті справляться із прибиранням арени. Цікаво, що одна з конструкцій виявилася швидшою та більш ефективною, і з часом почала виштовхувати з арени і другу конструкцію зі своїх родичів.
Втім, всі ці можливості організованих роботів можна ще покращити, якщо наділити їх зовнішнім управлінням. Так інженери пропонують «підкинути» у рій одного керованого зовні робота (наприклад, світлочутливого або з додатковим двигуном) та зробити його лідером рою, який буде спонукати інших організовуватися певним чином. Лідерів можна буде використовувати для управління динамікою збирання роботів, а також для різного характеру кластеризації, щоб, наприклад, одні крутилися за годинниковою стрілкою, а інші - проти. Тим паче, що саме зіткнення роботів змушують їх збиратися у кластери, робот-лідер стане простим і дешевим способом зупиняти рій, стимулювати його рух, чи, навпаки, запускати лише окремих особин.
Рої роботів здатні виконувати безліч корисних функцій: від малювання фарбами на полотні до пошуку джерела витоку газу. Організовують їх також по-різному: комусь потрібен найкраще навчений орієнтуватися у просторі лідер, а якомусь рою буде достатньо світлодіодного світла, яке можна фіксувати один в одного.