Исследователи из Чикагского университета и Технологического института Иллинойса недавно разработали Granulobot, новую модульную роботизированную систему, которая может менять свою физическую форму, чтобы лучше ориентироваться в различных средах.

Эта система , представленная в Science Robotics, черпает вдохновение из способности птичьих стай, рыбных косяков и других сообществ самоорганизовать свое коллективное поведение, а также из мягких адаптивных свойств песчаных куч (т. е. гранулированных материалов).

«Хотя проекты в области робототехники часто мотивированы приложениями, эта работа возникла с более фундаментальной точки зрения, исследуя новые парадигмы управляющих вычислений, которые используют физику самоорганизации для разработки более адаптируемых и эффективных систем с перспективой «искусственной жизни». Бодуэн Сентив, ведущий автор статьи, рассказал Tech Xplore.

«Я физик, инженер и художник, обладающий опытом в области формирования структур и робототехники как среды. Меня интересует изучение возникновения свойств, подобных жизни, в неживых системах».

В рамках недавнего исследования ученые намеревались разработать робота, который мог бы быстро адаптировать свою форму для перемещения в различных средах. Робот, который они разработали, основан на предыдущих работах, проведенных в лаборатории Jaeger Lab Чикагского университета, с упором на физику мягких гранулированных веществ (например, кучек песка и суспензий кукурузного крахмала), а также на увлечении Сейнтивса воспроизведением физических моделей в роботах.

«В отличие от нисходящего подхода к решению проблем, распространенного в инженерии, здесь мы используем восходящий подход, более распространенный в экспериментальной физике», — сказал Сейнтивс. «Мы задаемся вопросом, как сборка очень простых гранулированных строительных блоков, таких как зерна в куче песка, может привести к появлению интеллектуальных свойств, когда эти зерна дополнены способностями к срабатыванию.

«Подобно клеткам в тканях или птицам, кружащимся вместе, разрабатывая системы, которые могут самоорганизовываться и использовать замечательные свойства гранулированных агрегатов, мы можем воплотить форму возникающего «интеллекта» в модульных роботизированных системах».

Сэйнтивс и его коллеги пытались создать «интеллектуальные» роботизированные системы, которые черпают свой интеллект на физических принципах, а не на машинном обучении и других цифровых вычислениях. Поскольку алгоритмы машинного обучения и другие сложные вычисления могут требовать больших вычислительных ресурсов, эти системы могут демонстрировать более низкое энергопотребление и, следовательно, более длительный срок службы батареи.

Сейнтивс уже много лет изучает, как возникают закономерности в природе, проявляя большой интерес к свойствам самоорганизации мягких материалов, таких как гели, зерна и вязкоупругие материалы. Его исследования исследовали эти явления с физической точки зрения, а также с более художественной точки зрения.

«Самоорганизация формирует природный мир вокруг нас», — сказал он. «В сочетании с другими фундаментальными принципами , такими как эволюция, он порождает жизнь и разум просто из физических сил, которые предшествуют нам, и его можно наблюдать на всех уровнях: от самосборки ДНК или клеток в тканях до колоний муравьев или птиц, кружащихся вместе. .

«Когда я был приглашенным художником в Чикагском университете и работал художником в центре современного искусства, я разработал живой киноспектакль , в котором самоорганизация используется как «кукольный театр», инсценирующий зарождающуюся жизнь. В ходе этого проекта я построил свой первый роботизированные системы».

Его увлечение «искусственной жизнью» в конечном итоге привлекло Сентивса в область робототехники, что побудило его начать сотрудничество с робототехником и экспертом по физике мягкой материи Генрихом Йегером из Института Джеймса Франка. Джагер изучал груды песка, суспензии кукурузного крахмала и другие гранулированные материалы, интересуясь их потенциальным применением в робототехнике.

«Конструкция Granulobots демонстрирует общий подход к управлению, который использует легко адаптируемые свойства мягких материалов, в данном случае гранулированных материалов, с жидкими или твердыми реакциями, сочетая их с принципами самоорганизации», — сказал Сейнтивс.

В своей статье исследователи представили новую форму воплощенной интеллектуальной системы. Эта система предназначена для адаптации структуры тела, используя только физические принципы, не полагаясь на какие-либо цифровые вычисления.

«Проектирование роботизированных систем, способных менять свою форму и гибкость для адаптации к различным средам, остается серьезной инженерной задачей», — сказал Сейнтивс. «Чтобы решить эту проблему, мы представляем Granulobots, самонастраивающуюся роботизированную систему, вдохновленную высокоадаптативными свойствами зернистого вещества. Представьте ее как набор зерен, которые соединяются, образуя агрегаты, похожие на мокрую кучу песка, но теперь с моторизованными зернами. »

Гранулоботы, разработанные Сейнтивсом и его коллегами, представляют собой небольшие системы, которые могут объединять, разделять и создавать различные структуры, применяя друг к другу крутящий момент. Возможности самоорганизации роботов позволяют им постоянно адаптироваться и деформироваться, точно так же, как это делают жидкие или твердые материалы.

Параметры локального управления, установленные во всех гранулоботах, позволяют им самостоятельно координировать свои движения для создания подходящих совокупных стилей передвижения для различных условий окружающей среды, не получая никаких данных от центрального компьютера. Таким образом, их движения являются продуктом механических взаимодействий.

«Агрегаты могут «перетекать» через препятствия и самосогласовываться, скользя по скользким поверхностям или ползая и катясь по противоскользящим покрытиям, без беспроводной связи между роботами», — сказал Сантивес. «Эта конструкция демонстрирует форму управляющих вычислений, основанную на механической обратной связи, а не на сложной электронике и датчиках, что способствует развитию устойчивых роботизированных систем со способностью трансформироваться и адаптироваться к различным функциям и условиям».

Инновационный роботизированный дизайн, предложенный Сейнтивсом и его сотрудниками, позволяет сосуществовать различные замечательные свойства в одном корпусе, используя простую децентрализованную структуру управления. Ее основополагающие принципы открывают интересные возможности для создания интеллектуальных роботов, стирая границы между роевой, мягкой и модульной робототехникой.

«Эта работа открывает возможность для новой парадигмы управляющих вычислений, которая по своей конструкции более адаптируется к изменениям окружающей среды с меньшими цифровыми вычислениями и энергопотреблением», — сказал Сейнтивс. «Отменяя принцип «материал — это машина», который вызвал захватывающие исследования податливого механизма, в котором тщательно спроектированный метаматериал может проявлять свойства, подобные машине, мы занимаем противоположную позицию: «машина — это материал». Этот принцип широко используется природой для эффективного воплощения интеллекта».

Исследователи продемонстрировали потенциал своей конструкции в различных первоначальных тестах, которые продемонстрировали ее способность автономно координировать движения роботов и адаптироваться к изменяющейся среде с минимальными цифровыми вычислениями. В своих следующих исследованиях они планируют дополнительно улучшить своих гранулоботов, чтобы они также поддерживали автономное принятие решений и децентрализованную оптимизацию параметров для определения оптимальных походок передвижения.

Эти улучшения могут позволить роботам автономно определять наилучшие способы передвижения для навигации в конкретной среде, а затем переключаться между ними при изменении условий.

«Это не сложная цель, поскольку стратегии децентрализованного управления применялись в прошлом в роевых роботизированных системах, но они основаны на поведении агентов, которое можно запрограммировать локально», — сказал Сейнтивс. «Возвращаясь к первоначальным вопросам, которые я задал при запуске этого проекта: «Как сборка очень простых гранулированных строительных блоков, таких как зерна в куче песка, может привести к появлению интеллектуальных свойств, когда эти зерна дополнены способностями к срабатыванию» здесь естественно задаться вопросом, насколько минимальным и физическим может быть такое поведение агента при реализации принятия решений или более сложном обучении коллективных свойств».

В своей будущей работе Сейнтивс и его коллеги также планируют создать трехмерную (3D) систему на базе Granulobot. Этого можно достичь либо путем создания роботизированных единиц, состоящих из более сложных агрегатов 2D-гранулоботов, либо путем разработки сферической версии их модульного робота.

«Я ожидаю, что из таких особенностей возникнет новая интересная физика и, в свою очередь, новые возможности для использования механических форм управляющих вычислений», — добавил Сейнтивс. «Наконец, разработка оптимальной системы только с необходимыми свойствами позволит нам миниатюризировать и разработать более непрерывную форму роботизированной материи. Тогда научно-фантастические персонажи, такие как Т-1000 в «Терминаторе» или Песочный человек в «Человеке-пауке», станут ближе к реальности. »