Роботов научили массовой самоорганизации

 

0FQkZMhQN w1

Инженеры Гарвардского Университета создали метод, с помощью которого массивы роботов могут физически формировать устойчивые структуры без какого-либо внешнего руководства. Его описание опубликовано в сегодняшнем номере Science, кратко о работе пишет, например, IEEE Spectrum. О предыстории технологии можно прочитать на сайте ведущего автора публикации, Марка Рубенштейна.

Метод был опробован на массиве из 1024 простых роботов Kilobot, разработкой которых лаборатория Рубинштейна занимается с 2011 года. Kilobot представляют собой простые устройства на трех «ножках», оснащенные батареей, управляющим чипом и ненаправленными инфракрасными приемником и передатчиком. Передвигаются Kilobot благодаря вибрации.

В видеоролике, сопровождающем публикацию, можно видеть, как массив из тысячи индивидуальных Kilobot образует разной формы структуры: звезду, букву «К», гаечный ключ. Происходит это самопроизвольно: создатели не управляют движением индивидуальных роботов, а только предварительно загружают в них целевую форму.

Ключевая новация в работе — метод создания массивом роботов общей координатной сети. Работает этот метод следующим образом. Сначала определяются четыре ведущих робота, положение которых задает центр системы координат и ее ориентацию. Затем остальные роботы вычисляют градиентную переменную g, которая описывает их близость к центру координат: она равняется 1 + минимальное g из g всех ближайших соседей. У ведущих роботов g остается постоянным и равняется нулю.

smatvSdw rg1

Схема образования координат в массиве роботов (вверху) и принцип из движения (внизу). Изображение: Michael Rubenstein/Harvard University

Важно подчеркнуть, что передача сигналов между соседями является ненаправленной, то есть роботы не знают, кто из соседей в данный момент передает им сообщение. Они знают только то, что сосед находится на нужном расстоянии (информация основана на интенсивности ИК-сигнала) и, следовательно, входит в число шести «ближайших». Каждый робот вычисляет свои координаты, основываясь на своем g и тех координатах, что ему передали ближайшие соседи. Координаты ведущих роботов задаются наперед.

После определения координат роботы начинают двигаться и формировать заданную структуру. Точнее говоря, каждый робот начинает движение только тогда, когда его координаты находятся за пределами целевой структуры, заданной инженерами. При движении Kilobot'ы стремятся ни в коем случае не отстать от толпы: они перемещаются только по периферии, соблюдая заданную максимальную дистанцию d от ближайшего робота. Толпа движущихся таким образом роботов напоминает каплю жидкости.

2JAq3DTCpTY1

Индивидуальный Kilobot.

Такой метод формирования структур, как подчеркивают авторы, не зависит от надежности каждого отдельного робота. Даже если некоторые из них выйдут из строя, застрянут или перестанут передавать свои координаты, это практически не скажется на поведении массива в целом.

Методы координации имеют первостепенное значение для управления массивами роботов. Часто для их создания специалисты по робототехнике обращаются к изучению поведения общественных животных, которые образуют стаи и рои. Одна из подзадач такой координации – временная синхронизация. Недавно ученые предложили схему полностью децентрализованной синхронизации, которая основана на копировании поведения бактериальных сообществ. Ее применение позволило, например, заставить массив антропоморфных роботов танцевать.