Исследователи из Пенсильванского университета представили инновационную стратегию строительства с использованием роев миниатюрных роботов, которые могут создавать сложные сооружения без необходимости в чертежах, управляющих или централизованном контроле. Их работа была опубликована в журнале Science Advances.
Вдохновленные принципами самоорганизации, наблюдаемыми у муравьев, термитов и пчел, ученые разработали математические алгоритмы, позволяющие виртуальным роботам строить конструкции без знания общего плана. В компьютерных симуляциях эти машины, как насекомые в природе, возводили структуры, напоминающие соты, реагируя на окружающие условия.
«Обычно в строительстве все идет по строгому плану, начиная с чертежа, а затем следуют этапы, каждый из которых выполняется последовательно. Но такая система уязвима: одна ошибка может остановить весь процесс,» — объяснил Джордан Рэни, один из авторов исследования. «Мы предложили альтернативный подход: каждый робот действует независимо, и итоговая структура получается как результат множества простых действий.»
Система оказалась не только устойчива к ошибкам, но и гибка: роботы продолжают работать, даже если некоторые из них выходят из строя. Процесс строительства происходит параллельно, что увеличивает скорость и надежность по сравнению с традиционными методами.
В отличие от нейросетей, которые имитируют человеческий мозг, исследователи не стремились точно воспроизвести поведение насекомых. Они сосредоточились на фундаментальной концепции: сложные системы могут формироваться из простых, повторяющихся действий. «Нам не важно, понимают ли роботы, что они строят. Главное, чтобы они следовали набору локальных правил,» — отметил профессор Марк Йим.
Учёные провели множество симуляций для оптимизации параметров: как роботы должны реагировать на препятствия, как они взаимодействуют при столкновении с чужими постройками и когда им следует остановиться. Было обнаружено, что наличие небольшого хаоса в действиях роботов делает конечную конструкцию более прочной.
В будущем исследователи намерены перейти от симуляций к реальным физическим прототипам. Вместо использования мини-принтеров они рассматривают более практичные методы, такие как выращивание металлических структур с помощью электрохимии. «Природа не работает по генеральному плану — она строит из множества мелких шагов. Мы тоже учимся этому подходу,» — подытожил Рэни.
Ранее ученые также раскрыли генетические секреты коллективного разума муравьев.