Исследователи спроектировали группы роботов, которые ведут себя как умные материалы с настраиваемой формой и прочностью, имитируя живые системы. «Мы нашли способ, позволяющий роботам вести себя более как материал», — сказал Мэтью Девлин, бывший научный сотрудник-докторант в лаборатории профессора машиностроения Эллиота Хоукса Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (USCB) и ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Science.

Состоит из отдельных автономных роботов дискообразной формы. , похожих на небольшие хоккейные шайбы, запрограммированы на самосборку в различные формы с разной прочностью материалов.

Одной из задач, особенно интересующих исследовательскую группу, было создание роботизированного материала, который мог бы быть одновременно жестким и прочным, но при этом иметь возможность течь, когда требуется новая форма. «Роботизированные материалы должны иметь возможность принимать форму и удерживать ее», — объяснил Хоукс, «но также иметь возможность выборочно течь в новую форму». Однако, когда роботы крепко держатся друг за друга в группе, было невозможно перестроить группу таким образом, чтобы она могла течь и менять форму по своему желанию. До сих пор.

В поисках вдохновения исследователи обратились к предыдущим работам о том, как формируется физическая форма эмбрионов. Отгера Кампаса, бывшего профессора Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а в настоящее время являющегося директором Центра передового опыта в области физики жизни (PoL) в Дрезденском техническом университете,

«Живые эмбриональные ткани — это самые умные материалы», — сказал он. «Они обладают способностью к самоформированию, самовосстановлению и даже контролю своей материальной прочности в пространстве и времени».

В UCSB его лаборатория обнаружила, что эмбрионы могут плавиться, как стекло, чтобы формировать себя. «Чтобы вылепить эмбрион, клетки в тканях могут переключаться между жидким и твердым состояниями; явление, известное в физике как переходы жесткости», — добавил он.

В процессе развития эмбриона клетки обладают замечательной способностью располагаться друг вокруг друга, превращая организм из скопления недифференцированных клеток в совокупность отдельных форм, таких как руки и ноги, и различной консистенции, таких как кости и мозг.

Исследователи сосредоточились на трех биологических процессах, лежащих в основе этих переходов жесткости: активных силах, которые развиваются в клетках, применяемых друг к другу, что позволяет им перемещаться; биохимической сигнализации, которая позволяет этим клеткам координировать свои движения в пространстве и времени; и их способности прилипать друг к другу, что в конечном итоге придает жесткость окончательной форме организма.

В мире роботов эквивалент клеточной адгезии достигается с помощью магнитов, которые встроены в периметр роботизированных блоков. Они позволяют роботам держаться друг за друга, а всей группе вести себя как жесткий материал. Дополнительные силы между клетками кодируются в тангенциальные силы между роботизированными блоками, что обеспечивается восемью моторизованными шестернями вдоль круглой внешней поверхности каждого робота.

Модулируя эти силы между роботами, исследовательская группа смогла обеспечить реконфигурации в полностью заблокированных и жестких коллективах, позволяя им перестраиваться. Введение динамических межблочных сил преодолело проблему превращения жестких роботизированных коллективов в податливые роботизированные материалы, отражающие живые эмбриональные ткани.

Биохимическая сигнализация, тем временем, сродни глобальной системе координат. «Каждая клетка «знает» свою голову и хвост, поэтому она знает, в какую сторону сжимать и применять силы», — объяснил Хоукс. Таким образом, коллектив клеток умудряется изменять форму ткани, например, когда они выстраиваются рядом друг с другом и удлиняют тело. В роботах этот подвиг достигается с помощью световых датчиков наверху каждого робота с поляризованными фильтрами.

Когда на эти датчики попадает свет, поляризация света сообщает им, в каком направлении вращать шестеренки и, таким образом, как менять форму. «Вы можете просто сказать им всем одновременно под постоянным световым полем, в каком направлении вы хотите, чтобы они двигались, и они все могут выстроиться в линию и сделать то, что им нужно», — добавил Девлин.

Учитывая все это, исследователи смогли настроить и контролировать группу роботов, чтобы они действовали как умный материал: секции группы включали динамические силы между роботами и разжижали коллектив, в то время как в других секциях роботы просто держались друг за друга, создавая жесткий материал. Модулирование этих поведений в группе роботов с течением времени позволило исследователям создать роботизированные материалы, которые выдерживают большие нагрузки, но также могут изменять форму, манипулировать объектами и даже самовосстанавливаться.

В настоящее время группа роботов для проверки концепции состоит из небольшого набора относительно больших единиц (20). Однако моделирование, проведенное бывшим научным сотрудником Сангву Кимом в лаборатории Кампаса, а ныне доцентом EPFL, показывает, что система может быть масштабирована до большего количества миниатюрных единиц. Это может позволить разработать роботизированные материалы, состоящие из тысяч единиц, которые могут принимать бесчисленные формы и настраивать свои физические характеристики по желанию, изменяя концепцию объектов, которые мы имеем сегодня.

Помимо приложений за пределами робототехники, таких как изучение активной материи в физике или коллективного поведения в биологии, сочетание этих роботизированных ансамблей со стратегиями машинного обучения для управления ими может открыть замечательные возможности в области роботизированных материалов, воплотив в реальность научно-фантастическую мечту.