В природе повсюду встречаются слаженные коллективные действия — от муравейников до косяков рыб. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) вдохновились природой и создали новое поколение роботов, способных двигаться, исследовать пространство, переносить предметы и работать сообща.

Коллективное поведение — это явление, когда группа простых элементов (роботов, клеток, животных) действует согласованно без централизованного управления. Например, муравьи строят муравейник, хотя у них нет «главного архитектора».

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Роботы под названием link-bots состоят из цепочек 3D-печатных частиц размером в несколько сантиметров, соединенных V-образными звеньями. Они могут координировать движения, как живые существа, без встроенных систем управления или источников питания. Каждая частица оснащена ножками с наклоном, которые позволяют роботу двигаться по вибрирующей поверхности.

Идея цепочечных роботов заимствована у муравьев или клеток, которые демонстрируют коллективное поведение, несмотря на простоту отдельных элементов. В отличие от традиционных роевых роботов — например, дронов или небольших автономных машин — им не нужны датчики, сложные алгоритмы или беспроводная связь.

С физической точки зрения взаимодействие между link-bots очень простое, но при этом они ведут себя как сложная система, — говорит профессор Махадеван. — Чем больше таких роботов, тем интереснее их совместные действия.

Эксперименты показали, что, меняя структуру соединений, link-bots могут:

• двигаться вперед и останавливаться,
• разворачиваться у стен,
• протискиваться в узкие щели,
• блокировать проходы,
• переносить предметы.

Несколько роботов могут объединяться для решения задач, которые не под силу одному, — например, преодолевать препятствия.

Чтобы понять принципы их работы, исследователи создали компьютерную модель, которая предсказывает, как разные типы соединений и количество частиц влияют на движение.

Самое удивительное, что коллективное поведение возникает просто из-за физических связей между роботами, без сложного управления, — говорит Кимберли Боуал, одна из авторов исследования. — Это открывает новые возможности для проектирования робототехники, где «интеллект» системы рождается из взаимодействия простых элементов.

Махадеван, давно изучающий природные системы, считает, что такие роботы в будущем смогут сортировать объекты, транспортировать грузы и даже подскажут, как в биологии возникает сложное поведение без централизованного управления.

Этот подход — полная противоположность традиционной инженерии, — объясняет он. — Вместо того чтобы заранее программировать каждое действие, мы позволяем системе самоорганизовываться, как в живой природе.

Это исследование может привести к созданию дешевых, энергоэффективных роботов для задач, где важна адаптивность:

• Поисково-спасательные операции — роботы смогут проникать в завалы, подстраиваясь под форму щелей.
• Медицина — миниатюрные версии могли бы доставлять лекарства внутри организма.
• Логистика — автономные системы для сортировки и перемещения грузов без сложной инфраструктуры.

Кроме того, принципы самоорганизации помогут в разработке новых материалов с программируемыми свойствами.

Главный недостаток разработки — ограниченная среда работы: роботы требуют вибрирующей поверхности, что сужает область применения. Пока неясно, как они будут вести себя в реальных условиях — например, на неровном грунте или в воде.

Ранее ученые предложили освободить мозг роботов для сложных задач.