Концепция «серой слизи», робота, состоящего из миллиардов наночастиц, десятилетиями очаровывала любителей научной фантастики. Но большинство исследователей отклонили это как просто дикую теорию.
Текущие роботы обычно представляют собой автономные объекты, состоящие из взаимозависимых подкомпонентов, каждый из которых имеет определенную функцию. Если одна часть выходит из строя, робот перестает работать. В роботизированных роях каждый робот является независимо функционирующей машиной.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature , исследователи из Columbia Engineering и MIT Computer Science & Artificial Intelligence Lab (CSAIL) впервые демонстрируют способ сделать робота, состоящего из множества слабосвязанных компонентов или «частиц». В отличие от модульных роботов, каждый компонент прост и не имеет индивидуального адреса или идентификатора. В своей системе, которую исследователи называют «роботом-частицей», каждая частица может совершать только однородные объемные колебания (слегка расширяясь и сжимаясь), но не может двигаться независимо.
Команда во главе с Ходом Липсоном, профессором машиностроения в Columbia Engineering и директором CSAIL Даниэлой Рус, обнаружила, что, когда они сгруппировали тысячи этих частиц в «липкий» кластер и заставили их колебаться в ответ на источник света, Вся частица робота медленно начала двигаться вперед, к свету.
«Вы можете думать о нашем новом роботе как о« Grey Goo », – говорит Липсон, – у нашего робота нет единой точки отказа и нет централизованного управления». Это все еще довольно примитивно, но теперь мы знаем, что эта фундаментальная парадигма роботов действительно возможна. Мы думаем, что это может даже объяснить, как группы клеток могут двигаться вместе, хотя отдельные клетки не могут “.
Исследователи создавали автономных роботов уже более столетия, но это были небиологические машины, которые не могут расти, лечить или восстанавливаться после повреждения. Команда Columbia Engineering / MIT сконцентрировалась на разработке надежных, масштабируемых роботов, которые могут функционировать даже в случае отказа отдельных компонентов.
«Мы пытались фундаментально переосмыслить наш подход к робототехнике, чтобы выяснить, есть ли способ сделать роботов по-другому», – говорит Липсон, который руководит лабораторией Creative Machines. «Не просто сделать робота похожим на биологическое существо, но на самом деле сконструировать его как биологическую систему, чтобы создать что-то огромное по сложности и способностям, но состоящее из принципиально простых частей».
Рус, который также является профессором по электротехнике и компьютерным наукам в Массачусетском технологическом институте Эндрю (1956) и Эрной Витерби, добавляет: «Все существа в природе состоят из клеток, которые по-разному объединяются в организмы. При разработке роботов-частиц вопрос мы спрашиваем: можем ли мы иметь роботизированные ячейки, которые могут быть составлены по-разному для создания разных роботов? Робот может иметь наилучшую форму, необходимую для выполнения задачи – змея, которая ползет по туннелю, или машина с тремя руками для фабрики Пол. Мы могли бы даже дать этим роботам-частицам возможность создавать себя. Предположим, например, что роботу нужна отвертка со стола – отвертка слишком далеко, чтобы добраться. Что если робот мог бы переставлять свои ячейки, чтобы Вырастить очень длинную руку? Когда ее цели меняются, ее тело тоже может измениться.
Команда, работающая с Чаком Хоберманом из Гарвардского института Висса и другими исследователями в Корнелле, использовала много идентичных компонентов или частиц, которые могли выполнять простое движение, такое как расширение и сжатие. В симуляциях они продемонстрировали роботов, состоящих из 100 000 частиц. Экспериментально они продемонстрировали систему, состоящую из двух десятков частиц.
«Частицы, расположенные ближе к источнику света, испытывают более яркий свет и, таким образом, начинают свой цикл раньше», – объясняет Шугуан Ли, соавтор статьи, проводившей физические эксперименты. Ли, который работал в докторантуре в бывшей лаборатории Липсона в Корнелле и в настоящее время работает в CSAIL на посту доктора Руси. «Это движение создает своего рода волну во всем скоплении, от ближайших к свету до более удаленных, и эта волна заставляет весь кластер двигаться к свету. Движение к свету создает глобальное движение, даже если человек частицы не могут двигаться независимо друг от друга “.
Моделируя это поведение в симуляциях, они исследовали обход препятствий и перемещение объектов в больших масштабах, с сотнями и тысячами частиц. Они также смогли продемонстрировать устойчивость своей парадигмы роботов-частиц как к шумным компонентам, так и к отдельным сбоям.
«Мы обнаружили, что наши роботы-частицы поддерживают примерно половину своей полностью функционирующей скорости, даже когда 20 процентов частиц мертвы», – говорит Рича Батра, соавтор статьи и аспирант Липсона, который руководил исследованиями по моделированию.
Команда уже тестирует свою систему с большим количеством частиц в масштабе см. Они также исследуют другие формы роботов частиц, такие как вибрирующие микросферы.
«Мы думаем, что когда-нибудь можно будет создать роботов такого типа из миллионов крошечных частиц, таких как микрошарики, которые реагируют на звук, свет или химический градиент», – говорит Липсон. «Такие роботы могут быть использованы для уборки территорий или изучения неизвестных территорий / сооружений»
