Инженеры Массачусетского технологического института предприняли значительные шаги в направлении создания роботов, которые могли бы практически и экономично собирать практически все, включая предметы, намного большие, чем они сами, от транспортных средств и зданий до более крупных роботов.

Новая работа Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (CBA) основана на многолетних исследованиях, в том числе недавних исследованиях, демонстрирующих, что такие объекты, как деформируемое крыло самолета и функциональный гоночный автомобиль, могут быть собраны из крошечных одинаковых легких частей — и что роботизированные устройства могут быть построены для выполнения некоторых из этих сборочных работ. Теперь команда показала, что и роботы-сборщики, и компоненты строящейся конструкции могут состоять из одних и тех же частей, и роботы могут перемещаться независимо друг от друга в больших количествах, чтобы быстро выполнять крупномасштабные сборки.

О новой работе сообщается в журнале Nature Communications Engineering, в статье докторанта CBA Амиры Абдель-Рахман, профессора и директора CBA Нила Гершенфельда и еще трех человек.

По словам Гершенфельда, до создания полностью автономной самовоспроизводящейся системы сборки роботов, способной как собирать более крупные конструкции, в том числе более крупных роботов, так и планировать наилучшую последовательность строительства, еще далеко. Но новая работа делает важные шаги в направлении этой цели, включая решение сложных задач, когда строить больше роботов и насколько они велики, а также как организовать рои ботов разных размеров, чтобы эффективно построить структуру, не врезавшись в нее.

Как и в предыдущих экспериментах, новая система включает в себя большие полезные структуры, построенные из массива крошечных идентичных субъединиц, называемых вокселами (объемный эквивалент 2D-пикселя). Но если раньше воксели были чисто механическими элементами конструкции, то сейчас команда разработала сложные воксели, каждый из которых может передавать как энергию, так и данные от одного устройства к другому. Это может позволить создавать конструкции, которые могут не только выдерживать нагрузки, но и выполнять работу, такую ​​как подъем, перемещение и манипулирование материалами, включая сами воксели.

«Когда мы строим эти структуры, вы должны встраивать интеллект», — говорит Гершенфельд. В то время как более ранние версии роботов-ассемблеров были соединены жгутами проводов с их источником питания и системами управления , «появилась идея структурной электроники — создания вокселей, которые передают энергию и данные, а также силу». Глядя на новую систему в действии, он отмечает: «Нет никаких проводов. Есть только структура».

Сами роботы состоят из цепочки из нескольких вокселей, соединенных встык. Они могут захватывать другой воксель, используя точки крепления на одном конце, а затем перемещаться подобно дюймовому червю в нужное положение, где воксель может быть прикреплен к растущей структуре и выпущен там.

Гершенфельд объясняет, что, хотя более ранняя система, продемонстрированная членами его группы, в принципе могла строить произвольно большие структуры, по мере того, как размер этих структур достигал определенной точки по отношению к размеру робота-сборщика, процесс становился все более неэффективным из-за каждый бот должен был пройти все более длинные пути, чтобы доставить каждую деталь к месту назначения.

В этот момент, с новой системой, боты могли решить, что пришло время создать более крупную версию самих себя, которая могла бы преодолевать большие расстояния и сокращать время в пути. Для еще более крупной структуры может потребоваться еще один такой шаг, когда новые более крупные роботы будут создавать еще более крупные, в то время как для частей структуры, которые включают множество мелких деталей, может потребоваться большее количество самых маленьких роботов.

По словам Абдель-Рахмана, поскольку эти роботизированные устройства работают над сборкой чего-либо, они сталкиваются с выбором на каждом этапе пути: «Они могут построить структуру, или они могут построить другого робота того же размера, или они могут построить более крупного робота. » Часть работы, на которой сосредоточились исследователи, — это создание алгоритмов для такого принятия решений.

«Например, если вы хотите построить конус или полусферу, — говорит она, — как начать планирование пути и как разделить эту форму» на разные области, над которыми могут работать разные боты? Разработанное ими программное обеспечение позволяет кому-то ввести форму и получить результат, показывающий, где разместить первый блок и каждый последующий, в зависимости от расстояний, которые необходимо пройти.

По словам Гершенфельда, опубликованы тысячи статей о планировании маршрута для роботов. «Но шаг после этого, когда робот должен принять решение построить другого робота или другого типа робота — это что-то новое. На самом деле до этого ничего не было».

В то время как экспериментальная система может выполнять сборку и включает в себя каналы питания и передачи данных, в текущих версиях разъемы между крошечными субблоками недостаточно прочны, чтобы выдерживать необходимые нагрузки. Команда, включая аспирантку Миану Смит, сейчас занимается разработкой более прочных соединителей.

«Эти роботы могут ходить и могут ставить детали, — говорит Гершенфельд, — но мы почти — но не совсем — находимся в точке, где один из этих роботов делает другого, а тот уходит. И это зависит от тонкой настройки вещей, как сила приводов и прочность суставов… Но это достаточно далеко, чтобы эти части привели к этому ».

В конечном счете, такие системы могут быть использованы для создания самых разных крупных и ценных структур. Например, в настоящее время самолеты строятся на огромных заводах с платформами, намного большими, чем компоненты, которые они производят, а затем, «когда вы делаете гигантский реактивный самолет, вам нужны гигантские реактивные самолеты, чтобы нести части гигантского реактивного самолета , чтобы сделать его», Гершенфельд говорит. С такой системой, состоящей из крошечных компонентов, собранных крошечными роботами, «окончательная сборка самолета — это единственная сборка».

Точно так же при производстве нового автомобиля «вы можете потратить год на оснастку», прежде чем первый автомобиль будет построен, говорит он. Новая система обойдет весь этот процесс. Именно благодаря такой потенциальной эффективности Гершенфельд и его ученики тесно сотрудничали с автомобильными, авиационными компаниями и НАСА. Но даже относительно низкотехнологичная строительная отрасль потенциально может также извлечь выгоду.

Несмотря на растущий интерес к домам, напечатанным на 3D-принтере, сегодня для них требуется печатное оборудование такого же размера или больше, чем строящийся дом. Опять же, потенциал для того, чтобы такие структуры вместо этого собирались роями крошечных роботов, может принести пользу. И Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов также заинтересовано в работах по возможности строительства сооружений для защиты берегов от эрозии и повышения уровня моря.

Аарон Беккер, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Хьюстона, который не был связан с этим исследованием, называет эту статью «домашней пробежкой — [предлагая] инновационную аппаратную систему, новый способ думать о масштабировании роя».

Беккер добавляет: «В этой статье исследуется критическая область реконфигурируемых систем: как быстро масштабировать роботизированную рабочую силу и использовать ее для эффективной сборки материалов в желаемую структуру… Это первая работа, которую я видел, в которой проблема решается с радикально новая перспектива — использование необработанного набора частей робота для создания комплекта роботов, размеры которых оптимизированы для максимально быстрого создания желаемой структуры (и других роботов)».