Косяки рыб, колонии пчел и мурмурации скворцов в природе демонстрируют роевое поведение, текут, как жидкость, синхронно и меняя форму. Через призму механики жидкости роение представляет особый интерес для таких физиков, как Генрих Йегер, заслуженный профессор физики Чикагского университета Сьюэлла Эйвери и Института Джеймса Франка, а также научный сотрудник Института Джеймса Франка Бодуэн Сентивс, которые применяют физические принципы к разработка модульной, адаптивной робототехники.

Способность роя течь, как жидкость, действовать согласованно без лидера и реагировать на окружающую среду вдохновила Сейнтивса и Джагера на создание последнего творения, которое они назвали «Гранулобот». Он может разделяться, собираться заново и реорганизовываться, чтобы адаптироваться к окружающей среде. И в зависимости от своей конфигурации он может вести себя как твердое тело, так и как текучая жидкость.

По словам команды, агрегатная система «стирает разницу между мягкой, модульной и роевой робототехникой».

Прототип, разработанный в сотрудничестве с Мэтью Спенко, профессором кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Иллинойского технологического института в Чикаго, описан в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

Мягкие машины

«Гранурированный робот» представляет собой набор простых цилиндрических шестеренчатых устройств, оснащенных двумя магнитами, которые могут вращаться вокруг оси цилиндра. Один магнит свободно вращается, а другой приводит в движение двигатель с батарейным питанием. Такая конструкция позволяет отдельным блокам соединяться магнитно, а после соединения толкать соседей и заставлять их вращаться. Контакт между каждой единицей перемещает совокупность в целом, подобно рой.

«Область мягкой робототехники особенно интересна для приложений, в которых роботы взаимодействуют с людьми», — говорит Джагер. «Вы не хотите, чтобы люди пострадали». Тем не менее, необходимость в мягкой робототехнике выходит за рамки безопасности и пригодности. Робот, который может менять форму, может заползать в «укромные уголки и закоулки», говорит Джегер, или перемещаться по неопределенной местности — и то, и другое полезно, например, для поиска и спасения.

Для того, чтобы робот мог менять форму и выполнять различные функции, ключевым моментом является его способность предсказуемо и обратимо колебаться между жестким и мягким. Гранулированные материалы обладают присущими им свойствами, которые делают возможным это преобразование. Этот класс материалов может переходить от жидкого к твердому поведению в зависимости от контакта, а не температуры.

Этот переход вызван явлением, называемым застреванием, которое происходит, когда частицы в неупорядоченной, хаотической системе оказываются настолько близко друг к другу, что толкаются друг к другу, и их поток прекращается. Джегер, физик конденсированного состояния, описывает вождение по шоссе: «Иногда вы едете по шоссе, но иногда вы врезаетесь в машины, и движение останавливается. Когда это происходит в гранулированном материале, говорит Джагер, «по сути, это большая пробка».

Застревание можно увидеть в действии на примере кирпича кофе в вакуумной упаковке: сломайте герметичность, и кофейная гуща может вылиться. Молотый кофе настолько хорошо работает в этом отношении, что Джагер использовал его для создания мягкого роботизированного захвата , который может захватывать и удерживать объекты независимо от их формы.

Цилиндр Granulobot намного больше кофейной гущи, но принцип тот же. «Заклинивание — это основа для того, чтобы Granulobot мог перейти от податливого и более жидкого поведения», — говорит Джегер, — «к чему-то более похожему на твердое тело».

Масштабируемость

Гранулобот предназначен для демонстрации модульного, самоорганизующегося подхода команды, но в будущем, возможно, модули могут быть чрезвычайно маленькими — тысячи единиц настолько малы, что группа будет казаться единой массой, — отмечает Джагер. «Еще одно направление, о котором было бы очень интересно подумать, — это сделать их намного, намного больше».

По словам Джагера, физика часто зависит от конкретных условий: очень маленьких, горячих или холодных. «Многим моим коллегам приходится работать в определенных условиях, иначе вся их физика не будет работать. То же самое можно сказать и о жизни».

Однако физические принципы, лежащие в основе Granulobot, не привязаны к масштабу или температуре. «Они могут работать под водой; они могут работать в космическом пространстве», — говорит Джагер.

Гранулобот обещает впечатляющие достижения в области робототехники, но Сэйнтивс и Джагер — физики. Они используют это исследование, чтобы найти новые способы думать о материи.

«В зависимости от самокоординации и передачи энергии окружающей среде ваша система будет либо программируемым материалом, либо автономным роботом. Это континуум», — говорит Сейнтивс. Но «мы стираем границу между материей и робототехникой». В рамках классического подхода к программируемой материи материал представляет собой машину; «Здесь мы исследуем идею о том, что машина — это материал».