Исследователи из Пенсильванского университета разработали новую стратегию строительства, при которой рой крошечных роботов может возводить сложные структуры без чертежей, руководителей и централизованного управления. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Вдохновившись муравьями, термитами и пчелами, ученые создали математические правила, позволяющие виртуальным роботам строить конструкции по принципу самоорганизации. В компьютерных симуляциях эти машины возводили сотоподобные структуры, не понимая общего плана, а просто реагируя на окружающие условия — как насекомые в природе.
«Мы привыкли, что строительство — это строго по плану: вначале чертеж, потом этапы, все последовательно. Даже 3D-принтеры так работают. Но это уязвимая система: одна ошибка — и процесс прерывается», — пояснил Джордан Рэни, соавтор исследования. — «Мы предложили иную парадигму: каждый робот действует независимо, и итоговая структура возникает из множества простых действий».
Система оказалась не только устойчивой к ошибкам, но и гибкой: роботы продолжают работу, даже если некоторые из них выходят из строя. При этом все происходит параллельно, а не по очереди, как в традиционном производстве, что потенциально делает процесс быстрее и надежнее.
В отличие от нейросетей, которые копируют мозг, ученые не стремились в точности воспроизвести поведение насекомых. Они сосредоточились на ключевом принципе природы: сложные системы могут появляться из простых повторяющихся действий.
«Нам не значимо, понимают ли роботы, что они строят. Главное, чтобы они следовали нужному набору локальных правил», — отметил профессор Марк Йим.
Авторы провели десятки симуляций, чтобы подобрать оптимальные параметры: как роботы поворачивают, что делают при столкновении с чужой постройкой, когда останавливаются и т.д. Важным оказалось и то, насколько «беспорядочно» себя ведут роботы — немного беспорядка в действиях повышало прочность итоговой конструкции, делая ее менее хрупкой.
В перспективе исследователи планируют перейти от симуляций к физическим прототипам. Вместо мини-принтеров они рассматривают более реалистический подход — например, выращивание металлических структур с помощью электрохимии.
«Природа не начинает с генерального плана — она строит из множества мелких шагов. Теперь мы тоже учимся такому подходу», — подытожил Рэни.