Новая модель, разработанная командой исследователей во главе с Penn State и вдохновленная романом Крайтона, описывает, как биологические или технические системы формируют сложные структуры, оснащенные возможностями обработки сигналов, которые позволяют системам реагировать на стимулы и выполнять функциональные задачи без внешнего руководства.

"По сути, эти маленькие наноботы становятся самоорганизующимися и осознающими себя", - сказал Игорь Аронсон, профессор кафедры биомедицинской инженерии, химии и математики университета Пенсильвании, объясняя сюжет книги Крайтона. Роман вдохновил Аронсона на изучение возникновения коллективного движения среди взаимодействующих самодвижущихся агентов. Исследование было недавно опубликовано в Природные коммуникации.

Аронсон и команда физиков из Университета LMU в Мюнхене разработали новую модель для описания того, как биологические или синтетические системы формируют сложные структуры, оснащенные минимальными возможностями обработки сигналов, которые позволяют системам реагировать на стимулы и выполнять функциональные задачи без внешнего руководства. По словам Аронсона, полученные результаты имеют значение для микророботики и для любой области, связанной с функциональными, самосборными материалами, сформированными из простых строительных блоков. Например, инженеры-робототехники могли бы создать рои микророботов, способных выполнять сложные задачи, такие как очистка от загрязняющих веществ или обнаружение угроз.

"Если мы посмотрим на природу, то увидим, что многие живые существа полагаются на общение и командную работу, потому что это повышает их шансы на выживание", - сказал Аронсон.

Компьютерная модель, разработанная исследователями из Пенсильванского университета и Университета Людвига-Максимиллиана, предсказала, что коммуникации с помощью небольших самодвижущихся агентов приводят к коллективному поведению, подобному разумному. Исследование продемонстрировало, что коммуникации значительно расширяют способность отдельной единицы формировать сложные функциональные состояния, сходные с живыми системами.

Команда построила свою модель, чтобы имитировать поведение социальных амеб, одноклеточных организмов, которые могут образовывать сложные структуры, общаясь с помощью химических сигналов. Они изучали, в частности, одно явление. Когда пищи становится мало, амебы выделяют химическое вещество-мессенджер, известное как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), которое заставляет амебы собираться в одном месте и образовывать многоклеточный агрегат.

"Этот феномен хорошо известен", - сказал в пресс-релизе соавтор Эрвин Фрей из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. "Однако до сих пор ни одна исследовательская группа не исследовала, как обработка информации на общем уровне влияет на агрегацию систем агентов, когда отдельные агенты - в нашем случае амебы - являются самодвижущимися".

На протяжении десятилетий ученые стремились лучше понять "активную материю", биологические или синтетические системы, которые преобразуют энергию, запасенную в окружающей среде, например, питательные вещества, в механическое движение и формируют более крупные структуры посредством самоорганизации. Взятый по отдельности, материал не обладает интеллектом или функциональностью, но в совокупности материал способен реагировать на окружающую среду с помощью своего рода возникающего интеллекта, объяснил Аронсон. Это древняя концепция с футуристическими приложениями.

Аристотель сформулировал теорию возникновения около 2370 лет назад в своем трактате "Метафизика". Его формулировку обычно перефразируют как "целое больше, чем сумма частей". По словам Аронсона, в недалеком будущем исследования новых систем могут привести к созданию наноботов размером с клетку, которые самоорганизуются внутри организма для борьбы с вирусами, или роев автономных микророботов, которые могут координировать сложные действия без пилота.

"Обычно мы говорим об искусственном интеллекте как о некоем разумном андроиде с развитым мышлением", - сказал Аронсон. "То, над чем я работаю, - это распределенный искусственный интеллект. Каждый элемент не обладает никаким интеллектом, но как только они собираются вместе, они способны к коллективному реагированию и принятию решений".

По словам Аронсона, в настоящее время существует большой спрос на распределенный искусственный интеллект в области робототехники.

"Если вы проектируете робота наиболее экономичным из возможных способов, вы не хотите делать его слишком сложным", - сказал он. "Мы хотим создать маленьких роботов, которые очень просты, всего несколько транзисторов, которые при совместной работе обладают той же функциональностью, что и сложная машина, но без дорогостоящего, сложного оборудования. Это открытие откроет новые возможности для применения активного вещества в нанонауке и робототехнике".

Аронсон объяснил, что с практической точки зрения распределенный искусственный интеллект может быть использован в любом виде вещества, в котором взвешены микроскопически дисперсные частицы. Его можно было бы внедрить в организм для доставки лекарства для борьбы с болезнью или активации крошечных электронных схем в серийно производимых микроробот.

"Несмотря на свою важность, роль коммуникации в контексте активной материи остается в значительной степени неисследованной", - пишут исследователи. "Мы определяем механизм принятия решений отдельными активными агентами как движущий механизм коллективно контролируемой самоорганизации системы".

Другими соавторами статьи являются Александр Зипке, Иван Марышев и Эрвин Фрей из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Исследование Игоря Аронсона было поддержано Министерством энергетики США и фондом Александра фон Гумбольдта.