Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре спроектировали группы роботов, которые ведут себя как умные материалы с настраиваемой формой и прочностью, имитируя живые системы. Работа опубликована в журнале Science.
Ученые превратили группу роботов в «живой» материал
Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре спроектировали группы роботов, которые ведут себя как умные материалы с настраиваемой формой и прочностью, имитируя живые системы.
Художественное изображение группы роботов, формирующих жесткое устройство. Brian Long, University of California Santa Barbara
В фильмах про «Терминатора», робот способен растекаться и собираться снова. Пока так сделать в реальности не получается, но важный шаг в создании таких материалов сделать удалось.
Группа состоит из отдельных дискообразных автономных роботов, которые выглядят как небольшие хоккейные шайбы. Они запрограммированы так, чтобы собираться вместе в различные формы с разной прочностью материала.
Одной из задач, представляющих особый интерес для исследовательской группы, было создание роботизированного материала, который мог бы быть жестким и прочным, но при этом иметь возможность растекаться, когда требуется новая форма. «Роботизированные материалы должны иметь возможность принимать форму и удерживать ее», — объяснил соавтор работы Эллиот Хоукс, — «Но также иметь возможность перетекать в новую форму».
Исследователи обратили внимание на то, как формируются живые эмбрионы. «Живые эмбриональные ткани — это самые умные материалы», — пишут ученые. — «Они обладают способностью к формированию, восстановлению и даже контролю прочности своего материала в пространстве и времени. Чтобы вылепить эмбрион, клетки в тканях могут переключаться между жидким и твердым состояниями; явление, известное в физике как переходы жесткости».
Во время развития эмбриона клетки обладают замечательной способностью организовываться друг вокруг друга, превращая организм из сгустка недифференцированных клеток в набор дискретных форм, например, рук и ног, и различной твердости, например, костей и мозга.
Роботы, как клетки эмбрионов
Исследователи сосредоточились на включении трех биологических процессов, стоящих за этими переходами жесткости. Активные силы, действующие между клетками, позволяют клеткам перемещаться. Биохимическая сигнализация, которая позволяет этим клеткам координировать свои движения в пространстве и времени. Способность клеток прилипать друг к другу, в конечном итоге придает жесткость окончательной форме организма.
В мире роботов эквивалент клеточного сцепления 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.
Элементы группы.
Моделируя эти силы между роботами, исследовательская группа смогла включить реконфигурацию, позволяя всему ансамблю изменять форму. Введение динамических межблочных сил решило проблему превращения жестких роботизированных коллективов в податливые роботизированные материалы, имитирующие живые эмбриональные ткани.
Биохимическая сигнализация похожа на глобальную систему координат. «Каждая клетка "знает" свою голову и хвост, поэтому она знает, в какую сторону применять силу», — объясняет Хоукс. Таким образом, коллектив клеток меняет форму ткани, например, когда они выстраиваются друг за другом и удлиняют тело. В роботах этот момент решается с помощью световых датчиков на верхней части каждого робота с поляризованными фильтрами. Когда на эти датчики падает свет, его поляризация сообщает им, в каком направлении вращать шестеренки и, таким образом, как менять форму.
Зацепление элементов.
Учитывая все это, исследователи смогли настроить и контролировать группу роботов, чтобы они действовали как интеллектуальный материал: одни секции группы включали динамические силы между роботами и делали группу текучей, в то время как в других секциях роботы крепко держались друг за друга, создавая жесткий материал. Модулирование такого поведения в группе роботов с течением времени позволило исследователям создать роботизированную материю.
В настоящее время группа роботов для проверки концепции состоит из небольшого набора относительно больших единиц (20). Однако моделирование, показывает, что систему можно масштабировать до большего количества миниатюрных единиц. Это позволит разработать роботизированные материалы, состоящие из тысяч единиц, которые могут принимать самые разные формы и перестраивать свои физические характеристики.