Коллективы роботизированных подразделений могли бы решать задачи, которые одна машина не может решить самостоятельно

Исследователи ищут новые способы выполнения задач на микро- и наноуровне, которые в противном случае трудно реализовать, особенно в связи с тем, что миниатюризация устройств и компонентов начинает достигать физических пределов. Одним из рассматриваемых новых вариантов является использование коллективов роботизированных подразделений вместо одного робота для выполнения задачи. "Возможности решения задач одним микророботом ограничены из-за его небольшого размера", - сказал профессор Томас Спек, возглавлявший исследование в Университете Майнца. "Но коллектив таких роботов, работающих сообща, вполне может быть способен выполнять сложные задания со значительным успехом". Статистическая физика становится здесь актуальной в том смысле, что она анализирует модели, описывающие, как такое коллективное поведение может возникнуть в результате взаимодействий, сравнимых с поведением птиц, когда они собираются в стаи.

Исследовательская группа изучала коллективное поведение нескольких небольших, имеющихся в продаже роботов. Эти так называемые ходунки приводятся в движение за счет внутренних вибраций, передаваемых на два ряда крошечных ножек. Поскольку длина, форма и жесткость ног у разных роботов незначительно отличаются, они движутся по круговым орбитам с радиусом, специфичным для каждого отдельного ходунка. Выглядящие и двигающиеся как маленькие жуки, эти роботы имеют эллиптическую форму и при столкновении друг с другом разлетаются в новом направлении.

"Наша цель состояла в том, чтобы изучить и описать коллективное поведение этих роботов и определить, можно ли извлечь из этого потенциальную пользу", - добавил Фрэнк Зиберс, ведущий автор статьи. "В то же время мы, физики, также интересовались явлениями как таковыми". Исследователи смогли наблюдать два эффекта, когда коллектив роботов имеет вариации в плане их орбит, то есть в группе, демонстрирующей большее разнообразие. Во-первых, ходункам требовалось меньше времени, чтобы исследовать пространство, в которое они были помещены. А во-вторых, находясь в замкнутом пространстве, они начали подвергаться самоорганизованной сортировке. В зависимости от радиуса их орбиты роботы либо скапливались у ограждающей стены, либо начинали собираться внутри помещения.

Статистическая физика дает представление о поведении коллективов

"Можно было бы использовать этот вид деятельности, например, для того, чтобы заставить роботов перевозить груз и взаимодействовать с этим грузом. Скорость, с которой они могли бы пересекать пространство, увеличилась бы, а это означает, что груз доставлялся бы быстрее", - сказал профессор Томас Спек, описывая одно потенциальное применение. "Статистическая физика может помочь раскрыть новые стратегии, которые могут быть использованы коллективами роботов".

Область моделей активной материи и робототехники охватывает многие сферы живого и неживого мира, в которых можно наблюдать коллективное поведение или коллективные движения, одним из ярких примеров является то, как стаи птиц движутся в унисон. "Что мы здесь сделали, так это применили теорию, лежащую в основе нашего понимания кластеризации и роения, к роботизированным системам", - сказал Фрэнк Зиберс из JGU.

Исследование финансировалось под эгидой Центра совместных исследований/TRR 146 по методам многомасштабного моделирования систем из мягкой материи, совместного проекта с участием Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце, ТУ Дармштадт и Института исследований полимеров Макса Планка. Исследователи основывали свои выводы на результатах своих экспериментов, а также на модельных вычислениях, выполненных на суперкомпьютере JGU MOGON II. Главный исследователь профессор Томас Спек занимал должность профессора в Институте физики JGU с 2013 по 2022 год. В настоящее время он возглавляет Институт теоретической физики IV Штутгартского университета.