Французские физики обнаружили, что если хаотичный рой автономных вытянутых роботов ограничить подвижной деформируемой стенкой, то они самопроизвольно начинают формировать кластеры, и вся система начинает двигаться не хаотически, а направленно. За счет этого эффекта такой рой может просачиваться сквозь щели или огибать небольшие препятствия, пишут ученые в Physical Review Letters.

Для выполнения роботами некоторых задач иногда удобнее использовать не одно автоматизированное устройство, а набор из нескольких одинаковых элементов, которые в зависимости от условий могут принимать разные конфигурации. Если такие системы содержат хотя бы пару десятков элементов, то их обычно называют роем роботов и их коллективное поведение определяется законами роевой динамики, которая основана на взаимодействием элементов с окружающей средой и между собой. Поскольку все элементы в такой системе изначально равнозначны, то для контроля их движения не используется единого центра, а каким-то образом меняются внешние условия: например, недавно ученые предложили использовать для этого с помощью пучок света, под действием которого изначально собранные вместе роботы разбегаются в разные стороны, формируя нужную форму.

Французские физики из Университета Бордо под руководством Амида Келлэ (Hamid Kellay) предложили управлять роем автономных роботов, ограничив их подвижной деформируемой стенкой. Для этого ученые использовали рой из продолговатых пластиковых роботов длиной около четырех сантиметров, которые приводятся в движение с помощью вибромоторов, работающих на частоте от 60 до 150 герц. При вибрации у роботов начинают двигаться асимметричные пластиковые ножки, в результате чего они двигаются в случайном направлении со скоростью от 20 до 40 сантиметров в секунду.

A. Deblais et al./ Physical Review Letters, 2018

Рой из таких роботов, включающий до 120 устройств, ученые помещали в круговую область диаметром от 20 до 60 сантиметров, ограниченную подвижной гибкой лентой. Оказалось, что роботы в таком подвижном «загоне» ведут себя не совсем так, как в свободном пространстве. Если элементов в системе достаточно мало, то их динамика практически не отличается от незамкнутой системы и носит хаотический диффузионный характер. При увеличении же числа устройств в системе их коллективное поведение становится упорядоченным. Превышение определенного критического количества приводит к тому, что часть роботов начинает формировать упорядоченные кластеры в двух противоположных концах круговой области. У системы таким образом образуется два полюса, за счет которых может происходить направленное движение.

Количественно ученые описали систему с помощью распределения кластеров по размерам. Оказалось, что в системе из небольшого числа роботов практически все они находятся либо поодиночке, либо в очень небольших группах и описывается теоретически с помощью диффузионных моделей. В больших роях, где роботам приходится постоянно сталкиваться друг с другом, кроме одиночных элементов, также присутствуют кластеры, а наиболее вероятно образование одной или двух групп, состоящих из нескольких десятков элементов. Точное число элементов в кластере зависит от средней скорости роботов, а формируются они около стенки, упираясь в нее и перемещая при этом «загон» в пространстве.

Распределение по размерам кластеров из роботов в системах из 60 элементов (зеленые символы) и 120 элементов (синие символы). Слева представлены экспериментальные данные, справа — данные численного моделирования. A. Deblais et al./ Physical Review Letters, 2018

Ученые обнаружили, что такие кластеры, которые совместно двигают стенку в одном направлении исключительно за счет автономного и не управляемого снаружи движения, приводят к перемещению всей системы в выделенном направлении (рои из небольшого количества роботов тоже двигают стенку, но хаотическим образом). При направленном движении происходит перераспределение роботов между кластерами, что позволяет системе просачиваться сквозь щели или огибать препятствия. 

По словам авторов исследования, возможность управлять движением роя автономных роботов, ограничивая их движение подвижной стенкой, может оказаться весьма полезной для разработки автоматизированных систем из микророботов с настраиваемыми свойствами. В частности, такие механизмы смогут быть использованы при создании мягких роботов, которые должны просачиваться сквозь щели или огибать препятствия сложных форм.

Для роящихся роботов иногда находят довольно необычные применения: например, группа ученых из США и Франции предложила использовать рой небольших автономных роботов в качестве интерфейса ввода-вывода, вместо клавиатуры и монитора. Что интересно, подобные системы можно реализовать не только на макроскопическом, но и на молекулярном уровне. Управление роем молекулярных роботов осуществляется тоже по своим механизмам: так, чтобы заставить молекулярные моторы из микротрубочек выполнять совместные действия, например осуществлять направленное поступательное или вращательное движение, химики из Японии и США разработали метод управления с помощью молекул ДНК.

Автор: Александр Дубов