"Мы выяснили, как роботы могут вести себя больше как материал", - сказал Мэтью Девлин, бывший докторант-исследователь в лаборатории профессора машиностроения UCSB Эллиота Хоукса и ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Science. Состоящие из отдельных автономных роботов в форме диска, которые выглядят как маленькие хоккейные шайбы, члены коллектива запрограммированы на то, чтобы собираться вместе в различные формы с различными свойствами материала.

Особый интерес для исследовательской группы представляла задача создания роботизированного материала, который мог бы быть одновременно жестким и прочным, но в то же время иметь способность течь, когда требуется новая форма. Хоукс объяснил, что вместо того, чтобы реагировать на внешние силы для придания формы, роботизированные материалы в идеале должны реагировать на внутренние сигналы, способные принимать форму и удерживать ее, "но также способные избирательно перетекать в новую форму".

Для вдохновения исследователи обратились к предыдущей работе Отгера Кампаса, бывшего профессора Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а в настоящее время директора центра передового опыта в области физики жизни в Дрезденском университете, о том, как происходит физическая форма эмбрионов. "Живые эмбриональные ткани - это в высшей степени умные материалы", - сказал он. "Они обладают способностью к самоформированию, самовосстановлению и даже контролю своей материальной силы в пространстве и времени". Во время работы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе его лаборатория обнаружила, что эмбрионы могут плавиться, как стекло, придавая себе форму. "Чтобы вылепить себя, клетки эмбрионов могут заставлять ткани переключаться между жидким и твердым состояниями; явление, известное в физике как переходы жесткости", - добавил он.

Во время развития эмбриона клетки обладают замечательной способностью располагаться друг вокруг друга, превращая организм из сгустка недифференцированных клеток в совокупность дискретных форм - таких как руки и ноги - и различной консистенции, таких как кости и мозг. Исследователи сосредоточились на включении трех биологических процессов, лежащих в основе этих переходов жесткости: активных сил, которые развивающиеся клетки прикладывают друг к другу, что позволяет им перемещаться друг вокруг друга; биохимических сигналов, которые позволяют этим клеткам координировать свои движения в пространстве и времени; и их способности прилипать друг к другу, что в конечном счете придает клеткам скованность окончательной формы организма.

В мире роботов внутриклеточные силы преобразуются в тангенциальную силу между блоками, обеспечиваемую восемью механизированными передачами вдоль круглой внешней поверхности каждого робота, которые позволяют им перемещаться вокруг друг друга, отталкиваясь друг от друга, даже в плотно заполненных пространствах.

Между тем биохимическая сигнализация сродни глобальной системе координат. "Каждая клетка "знает" свою головку и хвост, поэтому она знает, в какую сторону сжимать и прикладывать усилия", - объяснил Хоукс. Таким образом, совокупности клеток удается изменить форму ткани, например, когда они выстраиваются рядом друг с другом и удлиняют тело.

В роботах это достигается с помощью датчиков освещенности на верхней части каждого робота с поляризованными фильтрами. Когда свет попадает на эти датчики, поляризация света указывает им, в каком направлении вращать шестеренки и, таким образом, как изменять форму. "Вы можете просто сказать им всем сразу под постоянным световым полем, в каком направлении вы хотите, чтобы они шли, и все они могут выстроиться в линию и делать все, что им нужно", - добавил Девлин.

Для межклеточной адгезии исследователи использовали магниты, встроенные в периметр роботизированных блоков, магниты, которые можно было поворачивать, чтобы привлечь любого другого робота.

Проверяя работу роботов, исследователи обнаружили, что колебания сигналов - вариации в сигналах, посылаемых роботам, - играют решающую роль в их способности принимать необходимые формы и построения. "Ранее мы показали, что у живых эмбрионов колебания сил, генерируемых клетками, являются ключом к превращению твердой ткани в текучую. Итак, мы закодировали колебания силы в роботах", - сказал Кампас.

В коллективе роботов взаимодействие между колебаниями сигнала и силами между подразделениями является разницей между плотно упакованным, неподвижным коллективом и более подвижным. "По сути, когда вы увеличиваете оба этих параметра, особенно колебания, вы получаете более текучий материал", - сказал Девлин. Это позволяет коллективу менять форму. Оказавшись в строю, отключение силовых колебаний снова придает коллективу жесткость.

Важно отметить, что эти колебания сигнала позволяют коллективу роботов изменять свою форму и силу с меньшей средней мощностью, чем если бы сигнал был включен постоянно и все роботы непрерывно давили друг на друга. "Это интересный результат, который мы не собирались искать, но обнаружили, как только начали собирать данные о поведении роботов", - сказал Хоукс. Это важно, добавил он, для проектирования роботов, которым, возможно, придется работать при ограниченном бюджете мощности.

Имея все это в виду, исследователи смогли настроить группу роботов и управлять ею так, чтобы она действовала 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 этого поведения 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 коллектив роботов для проверки концепции состоит из небольшого числа (20) относительно крупных блоков, но моделирование, проведенное бывшим докторантом лаборатории Campàs Сангву Кимом, который сейчас является доцентом EPFL, показывает, что систему можно масштабировать до большего числа миниатюрных блоков для получения большего количества материалов.- похожий аспект.

Помимо робототехники, согласно статье, это и подобные ему коллективы роботов могли бы "позволить изучать фазовые переходы в активном веществе, свойства активной механики в системах из твердых частиц и потенциально помочь определить гипотезы для биологических исследований". В сочетании с современными средствами управления и стратегиями машинного обучения работа с этими коллективами роботов может привести к появлению новых возможностей в роботизированных материалах, которые еще предстоит обнаружить и понять.