Исследователям из Испании, Великобритании и Нидерландов удалось воспроизвести самопроизвольный реакционно-диффузионный механизм Тьюринга в рое из 300 небольших килоботов, каждый из которых может общаться только с соседними роботами. Рой оказался способен к устойчивому формированию однотипных форм, а также «залечивать» повреждения. Исследование может помочь в разработке самоорганизующихся роев роботов, устойчивых к внешним воздействиям, рассказывают авторы статьи в Science Robotics.

Инженеры уже достаточно давно работают над созданием коллективных роботов, дронов и других автоматизированных устройств, которые способны вести себя как единый связанный объект. В этой области есть два основных подхода, которые были подсмотрены исследователями из наблюдений за взаимодействием живых объектов в природе. Первый подход — это иерархическое управление членами группы.

Например, в некоторых условиях клетки в организме могут диференциироваться определенным образом, получая информацию от организма информацию о своем положении в нем. Второй подход — локальная самоорганизация, при которой объект не имеет данных о своем положении и его действия основаны только на взаимодействии с соседними членами группы. Такой тип взаимодействия позволяет сделать группу объектов, например, рой роботов, полностью автономным и самоуправляемым.

Один из примеров второго подхода, который реализовали авторы новой работы — это реакционно-диффузионный механизм морфогенеза, описанный Аланом Тьюрингом в 1952 году. Он показал, что в двухкомпонентной системе с их изначально гомогенным распределением могут возникать стационарные неоднородные структуры из-за того, что компоненты имеют разные коэффициенты диффузии. Такой механизм проявляется как в химических реакциях, например, в реакции Белоусова-Жаботинского, так и в биологических объектах.

К примеру, таким образом формируется пятнистая или волнообразная периодическая окраска некоторых животных, а также формируются органы, такие как пальцы. В живых организмах за морфогенез (формирование органов) отвечает генетическая регулирующая сеть — набор клеток и молекул, с помощью которых они передают сигналы друг другу и регулируют экспрессию генов, что в свою очередь приводит к формированию неоднородностей.

Исследователи под руководством Джеймса Шарпе (James Sharpe) из Барселонского института науки и технологий воспроизвели механизм морфогенеза в живых организмах с помощью килоботов — небольших роботов, предназначенных для исследований в области коллективных роботов. Килобот представляет собой небольшого робота на трех металлических ножках, оснащенного светодиодами, инфракрасными передатчиком и приемником, вычислительным блоком, а также двумя вибромоторами, благодаря которым робот может двигаться.

Алгоритм, разработанный исследователями, имитирует передачу между килоботами двух виртуальных молекул — активатора U и ингибитора V. Каждый робот рассчитывает концентрацию активатора и ингибитора, и передает данные соседям на расстоянии десяти сантиметров. Алгоритм робота устроен таким образом, что он стремится переместиться из области с низкой концентрацией активатора в область с высокой концентрацией. Из-за этого роботы, находящиеся на краях роя периодически начинают перемещаться по краю до момента, когда они доходят до места с высокой концентрацией.Эксперименты показали,что рои роботов, изначально имевшие круглую форму, формируют определенные похожие структуры с выступами.

Схема реакционно-диффузионного механизма / Ivica Slavkov et al. / Science Robotics, 2018

Также исследователи показали, что рой роботов под управлением такого алгоритма способен самостоятельно восстанавливаться после получения ранений. Они проверили две ситуации — разрезание роя пополам и отрезание одного из выступов. В первом случае рой постепенно срастался обратно, а во втором он либо залечивал частично отрезанный выступ, либо отращивал новый на другом краю. Таким образом, рой всегда приводил свою структуру к периодической и равномерной, даже в случае сильных повреждений.

Движение роботов в области с высокой концентрацией активатора / Ivica Slavkov et al. / Science Robotics, 2018

После проведения экспериментов исследователи провели анализ динамики морфогенеза роя. Они выбрали для этого две метрики — индекс формы (насколько сильно форма отличается от изначального круга) и уровень шероховатости поверхности. Построив график эволюции формы с этими метриками, они обнаружили три этапа морфогенеза: начальный этап, на котором все экземпляры роя вели себя почти идентично, промежуточный этап, во время которого рои имели крестообразную форму, и этап диверсификации, на котором каждый рой преобразовывал свою форму из крестообразной в специфичную для него вариацию:

Динамика морфогенеза роя роботов / Ivica Slavkov et al. / Science Robotics, 2018

В прошлом году группа ученых из Бристольского университета, в которую входила один из авторов новой работы, показала на примере килоботов другой пример самоорганизации. Ученые создавали ситуацию, при которой роботы имели два мнения при решении вопроса, а часть роботов была сломана и выбирала мнение хаотично, не основываясь на показаниях соседей. Эксперименты показали, что если добавить в рой неопределившихся со своим мнением роботов, в конце концов он придет ко стопроцентному консенсусу, тогда как при наличии только убежденных роботов консенсус недостижим даже на больших промежутках времени. А французские исследователи показали, что хаотичный рой роботов ограничить подвижной деформируемой стенкой, то они самопроизвольно формируют кластеры, и вся система начинает двигаться направленно. Ученые продемонстрировали, как такой рой роботов преодолевает небольшие препятствия и просачивается сквозь щели.