Напечатанные на 3D-принтере smarticles – сокращение от умных активных частиц – могут делать только одно: махать двумя руками. Но когда пять из этих умников заключены в круг, они начинают толкать друг друга, образуя робофизическую систему, известную как «сверхчувствительность», которая может двигаться сама по себе. Добавление светового или звукового датчика позволяет сверхчувствительной частице двигаться в ответ на раздражитель и даже достаточно хорошо контролировать ее, чтобы перемещаться по лабиринту.
Хотя в настоящее время идея создания роботов из более мелких роботов – и использование преимуществ групповых возможностей, возникающих при объединении индивидуумов – в настоящее время является примитивной, она может обеспечить механический контроль над очень маленькими роботами. В конечном счете, новое поведение группы может обеспечить новый подход к перемещению и управлению маленькими роботами, которые потенциально могут изменять форму.
«Это очень примитивные роботы, в поведении которых доминируют механика и законы физики», – сказал Дэн Голдман, профессор семьи Данн в школе физики Технологического института Джорджии. "Мы не собираемся подвергать их всех сложному контролю, зондированию и вычислениям. По мере того, как роботы становятся все меньше и меньше, нам придется использовать принципы механики и физики, чтобы управлять ими, потому что у них не будет того уровня вычислений и чувствительности, который нам понадобится для обычного управления."
Исследование, проведенное при поддержке Управления армейских исследований и Национального научного фонда, планируется опубликовать 18 сентября в журнале Science Robotics. Исследователи из Северо-Западного университета также внесли свой вклад в проект.
Основание для исследования было получено из неожиданного источника: исследования строительных элементов. Переливая эти сверхпрочные скобы в контейнер со съемными стенками, бывший Ph.D. студент Ник Грэвиш, ныне преподаватель Калифорнийского университета в Сан-Диего, создал конструкции, которые будут стоять сами по себе после снятия стенок контейнера.
Встряхивание основных опор в конечном итоге привело к их разрушению, но наблюдения привели к осознанию того, что простое переплетение механических объектов может создавать структуры с возможностями, значительно превосходящими возможности отдельных компонентов.
«Робот, сделанный из других рудиментарных роботов, стал видением», – сказал Голдман. "Вы можете представить себе создание робота, в котором вы немного измените его геометрические параметры, и в результате появятся качественно новые модели поведения."
Чтобы изучить концепцию, аспирант-исследователь Уилл Савойя использовал 3D-принтер для создания smarticles с батарейным питанием, которые имеют двигатели, простые датчики и ограниченную вычислительную мощность. Устройства могут менять свое местоположение только тогда, когда они взаимодействуют друг с другом. Устройства заключены в кольцо.
«Несмотря на то, что ни один отдельный робот не может двигаться сам по себе, облако, состоящее из нескольких роботов, могло двигаться, когда оно раздвигалось, и сжиматься, когда оно собиралось вместе», – пояснил Голдман. "Если вы поместите кольцо вокруг облака маленьких роботов, они начнут пинать друг друга, а большее кольцо – то, что мы называем сверхмедицией – перемещается случайным образом."
Исследователи заметили, что если один маленький робот перестанет двигаться, возможно, из-за того, что у него разрядится батарея, группа умников начнет двигаться в направлении остановившегося робота. Аспирант Росс Варкентин научился управлять движением, добавив к роботам фотодатчики, которые останавливают взмахи руки, когда на одну из них попадает сильный луч света.
«Если вы направите фонарик под правильным углом, вы сможете выделить робота, которого хотите, чтобы он был неактивным, и это заставит кольцо качнуться к нему или от него, даже если роботы не запрограммированы на движение к свету», – сказал Голдман. "Это позволило управлять ансамблем очень элементарным, стохастическим способом."
Профессор школы физики Курт Визенфельд и аспирант Зак Джексон смоделировали движение этих умных и сверхчеловеческих частиц, чтобы понять, как толчки и масса кольца влияют на общее движение. Исследователи из Северо-Западного университета изучали, как взаимодействия между умными мышами обеспечивают управление направлением.
«Для многих роботов у нас есть двигатели с электрическим током, которые генерируют силы в частях, которые в совокупности надежно перемещают робота», – сказал Тодд Мерфи, профессор машиностроения, который работал с аспирантами Северо-Запада Томасом Берруэта и Аной Перван. «Мы узнали, что, хотя отдельные смарт-элементы взаимодействуют друг с другом посредством хаоса извивающихся ударов, каждое из которых является непредсказуемым, весь робот, состоящий из этих смарт-элементов, движется предсказуемо и таким образом, который мы можем использовать в программном обеспечении."
В своей будущей работе Голдман предполагает более сложные взаимодействия, в которых будут использоваться простые сенсорные и двигательные возможности смарт-пульсов. «Люди были заинтересованы в создании определенного типа роботов-роев, состоящих из других роботов», – сказал он. "Эти структуры могут быть реконфигурированы по запросу в соответствии с конкретными потребностями, изменяя их геометрию."
Проект представляет интерес для U.S. «Армия, потому что это может привести к созданию новых роботизированных систем, способных изменять свою форму, модальность и функции», – сказал Сэм Стэнтон, руководитель программы по сложной динамике и системам в Исследовательском офисе армии, входящем в состав U.S.
Лаборатория армейских исследований Командования развития боевых возможностей армии.
«Предполагается, что беспилотные системы и сети систем будущей армии будут способны изменять свою форму, модальность и функции. Например, рой роботов когда-нибудь сможет переместиться к реке и затем автономно сформировать структуру, перекрывающую пропасть », – сказал он. "Исследование Дэна Голдмана направлено на определение физических принципов, которые могут оказаться важными для инженерной эволюции поведения в будущих коллективах роботов, а также для нового понимания фундаментальных компромиссов в производительности системы, быстродействии, неопределенности, отказоустойчивости и адаптивности."