В то время как автоматизированное производство сегодня распространено повсеместно, когда-то оно было зарождающейся областью, созданной такими изобретателями, как Оливер Эванс, которому приписывают создание первого полностью автоматизированного промышленного процесса на мельнице, которую он построил и постепенно автоматизировал в конце 1700-х годов. Процессы создания автоматизированных структур или машин по-прежнему осуществляются сверху вниз, требуя, чтобы люди, фабрики или роботы выполняли сборку и изготовление.

Однако способ, которым природа осуществляет сборку, повсеместно восходит; животные и растения самособираются на клеточном уровне, полагаясь на белки, которые самостоятельно складываются в целевую геометрию, кодирующую все различные функции, которые заставляют нас работать. Таким образом, для более вдохновленного биотехнологиями восходящего подхода к сборке материалы, созданные человеком, должны работать лучше сами по себе. Однако сделать их масштабируемыми, избирательными и перепрограммируемыми таким образом, чтобы они могли имитировать универсальность природы, означает появление некоторых проблем.

Теперь исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) попытались преодолеть эти проблемы роста с помощью нового метода: они представили магнитно-перепрограммируемые материалы, которыми они покрывают различные части, подобно роботизированным кубам, чтобы позволить им собираться самостоятельно. Ключом к их процессу является способ сделать эти магнитные программы очень избирательными в отношении того, с чем они связаны, обеспечивая надежную самосборку в определенные формы и выбранные конфигурации.

Покрытие из мягкого магнитного материала, которое использовали исследователи, полученное из недорогих магнитов холодильника, наделяет каждый из кубов, которые они построили, магнитной подписью на каждой из его граней. Подписи гарантируют, что каждая грань выборочно привлекательна только для одной другой грани из всех остальных кубов, как при перемещении, так и при вращении.

Все кубики, которые стоят около 23 центов, могут быть запрограммированы магнитом с очень высоким разрешением. Как только их бросят в резервуар с водой (они использовали восемь кубиков для демонстрации), совершенно случайно — вы можете даже просто встряхнуть их в коробке — они столкнутся друг с другом. Если они встретят не того партнера, они уйдут, но если найдут подходящего, то привяжутся.

Аналогия может состоять в том, чтобы подумать о наборе деталей мебели, из которых вам нужно собрать стул. Традиционно вам потребуется набор инструкций, чтобы вручную собрать детали в кресло (подход «сверху-вниз»), но, используя метод исследователей, эти же части, когда-то запрограммированные с помощью магнита, будут самостоятельно собираться в кресло, используя всего лишь случайное возмущение, заставляющее их сталкиваться. Однако без подписей, которые они генерируют, ножки стула будут собираться не в том месте.

«Эта работа — шаг вперед с точки зрения разрешения, стоимости и эффективности, с которой мы можем самостоятельно собирать определенные структуры», — говорит Мартин Ниссер, доктор философии. студент факультета электротехники и информатики Массачусетского технологического института (EECS), филиал CSAIL и ведущий автор новой статьи о системе.

«Предыдущая работа по самостоятельной сборке обычно требовала, чтобы отдельные части были геометрически непохожими, точно так же, как кусочки головоломки, что требовало индивидуального изготовления всех частей. Однако, используя магнитные программы, мы можем массово производить однородные детали и программировать их для получения определенных деталей. целевые структуры и, что важно, перепрограммировать их, чтобы впоследствии они приобретали новые формы без необходимости заново изготавливать детали».

С помощью магнитного графопостроителя команды можно вставить куб обратно в плоттер и перепрограммировать его. Каждый раз, когда плоттер касается материала, он создает магнитный пиксель, ориентированный либо на «север», либо на «юг» на мягком магнитном покрытии куба, позволяя при необходимости перепрофилировать кубы для сборки новых форм-мишеней. Перед построением алгоритм поиска проверяет каждую сигнатуру на взаимную совместимость со всеми ранее запрограммированными сигнатурами, чтобы убедиться, что они достаточно избирательны для успешной самосборки.

При самостоятельной сборке вы можете пойти пассивным или активным путем. При активной сборке роботизированные детали модулируют свое поведение в режиме онлайн, чтобы обнаруживать, размещать и связывать своих соседей, и каждый модуль должен быть оснащен аппаратным обеспечением для вычислений, считывания и срабатывания, необходимых для самосборки.

Более того, в контуре необходим человек или компьютер, чтобы активно управлять исполнительными механизмами, встроенными в каждую деталь, чтобы заставить ее двигаться. В то время как активная сборка была успешной в реконфигурации различных роботизированных систем, стоимость и сложность электроники и приводов были серьезным препятствием для увеличения количества самосборного оборудования и уменьшения его размера.

С пассивными методами, такими как у этих исследователей, нет необходимости во встроенном срабатывании и контроле.

После того, как они запрограммированы и освобождены от случайного возмущения, которое дает им энергию для столкновения друг с другом, они сами меняют форму, без какого-либо направляющего интеллекта.

Если вам нужна конструкция, состоящая из сотен или тысяч деталей, например, лестница или мост, вам не захочется производить миллион уникальных деталей или переделывать их, когда вам понадобится собрать вторую конструкцию. .

Уловка, которую команда использовала для достижения этой цели, заключается в математическом описании магнитных сигнатур, которое описывает каждую сигнатуру как двумерную матрицу пикселей. Эти матрицы гарантируют, что любые магнитно-запрограммированные части, которые не должны соединяться, будут взаимодействовать, создавая такое же количество пикселей притяжения, как и отталкивания, позволяя им оставаться независимыми от всех несопрягающихся частей как при перемещении, так и при вращении.

Хотя в настоящее время система достаточно хороша для самостоятельной сборки с использованием нескольких кубиков, команда хочет продолжить разработку математических описаний сигнатур. В частности, они хотят использовать эвристику проектирования, которая позволила бы собирать очень большое количество кубов, избегая при этом дорогостоящих алгоритмов поиска.

«Процессы самосборки вездесущи в природе, что приводит к невероятно сложной и прекрасной жизни, которую мы видим повсюду вокруг нас», — говорит Ход Липсон, профессор инноваций Джеймса и Салли Скапа в Колумбийском университете, который не принимал участия в работе.

«Но основы самосборки озадачили инженеров: как два белка, которым суждено соединиться, находят друг друга в супе из миллиардов других белков? Не имея ответа, мы до сих пор могли самостоятельно собирать только относительно простые структуры, а для остальных прибегнуть к производству сверху вниз. Эта статья во многом отвечает на этот вопрос, предлагая новый способ, с помощью которого самособирающиеся строительные блоки могут найти друг друга. Надеюсь, это позволит нам начать восхождение по лестнице самособирающаяся сложность».