Коллектив ученых из Германии и США разработал алгоритм, который позволяет программируемой материи (например, рою примитивных роботов) в кратчайшее время облепить ровным слоем любую заданную поверхность. При этом все роботы могут быть одинаковыми, им не нужна иерархия или центральное управление — достаточно обмениваться информацией с ближайшими соседями. Препринт с исследованием выложен на arXiv.org.

Авторы решали следующую задачу: пусть дан объект любой сложной формы (например, лопасти промышленного ветряка), который надо покрыть тонким слоем условной «умной краски». Ученые поясняют, что с точки зрения алгоритма совершенно не важно, как именно реализована такая краска, она лишь должна отвечать ряду требований: каждая «частица» может независимо перемещаться, обмениваться небольшим количеством информации с ближайшими соседями, а также чувствовать поверхность, которую им нужно покрыть.

В основе алгоритма лежат так называемые «жалобы», которые посылают частицы, находящиеся вдали от поверхности. Такая жалоба распространяется по цепочке дальше, и если ее получает частица на поверхности, у которой рядом есть незанятое место, она туда сдвигается. После этого все частицы, которые участвовали в передаче жалобы, тоже сдвигаются на одну позицию по цепочке. Таким образом, когда в рое перестали появляться жалобы — алгоритм заканчивается. Если остались лишние частицы, они могут точно так же создать второй и последующие слои.

Модельные частицы «активной краски» последовательно собираются в слои. Изображение: Zahra Derakhshandeh et al./ arXiv.org

Частица, отмеченная черной точкой, посылает «жалобу», в результате чего вся цепочка частиц сдвигается вдоль поверхности. Изображение: Zahra Derakhshandeh et al./ arXiv.org

Общая работа (количество передвижений частиц) в такой схеме оказалась пропорциональна квадрату числа частиц. По мнению авторов, новый алгоритм в конечном счете должен использоваться в «умных покрытиях» для крупных сооружений, например, мостов или ветряков. При помощи программируемых покрытий предлагается равномерно распределять по поверхности датчики и сенсоры (регистрирующие температуру или, к примеру, наличие трещин). В этом случае диагностика состояния сооружения (в теории) упростится до опроса всех сенсоров и не потребует дорогостоящего осмотра. 

Похожие концепции, но с другим набором решений, высказывались в контексте «Интернета вещей» (англ. Internet of things). В рамках такого подхода также предлагается устанавливать большое число примитивных сенсоров, каждый из которых будет опросить по интернету. Проблему с питанием таких сенсоров, например, можно решать, поглощая энергию фоновых радиоволн, которые в избытке находятся в крупных мегаполисах.

Идею программируемой материи активно развивают с начала 90-х годов. В этой области существуют несколько основных направлений. Например, под «активной материей» понимают некоторые коллоидные или полимерные системы, способные к самостоятельному движению. Известна и область под названием «клэйтроника», в рамках которой планируется создавать примитивные компьютеры (их называют «к-атомы»), объединяющиеся в стаю. Один из самых маленьких современных к-атомов имеет форму цилиндра диаметром 44 миллиметра.

Автор: Тарас Молотилин