Ученые создали микро-ботов на основе наблюдений за муравьями

Исследователи из Гарварда черпали вдохновение в муравьях, чтобы создать группу относительно простых роботов, которые могут работать вместе для выполнения сложных задач, используя лишь несколько основных параметров.

«Этот проект состоялся благодаря постоянному интересу к пониманию коллективной динамики социальных насекомых, таких как термиты, пчелы и муравьи, особенно того, как эти насекомые могут манипулировать окружающей средой для создания сложных функциональных архитектур», — сказал Л. Махадеван, профессор прикладной математики Лола Инглэнд де Вальпин, профессор органической и эволюционной биологии и физики, а также старший автор статьи.

Исследовательская группа начала с изучения того, как черные муравьи-плотники работают вместе, чтобы раскопать мягкий загон и сбежать из него.

«Сначала муравьи внутри загона перемещались беспорядочно, общаясь через свои антенны, прежде чем они начали работать вместе, чтобы выбраться из загона», — сказал С. Ганга Прасат, научный сотрудник Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона, а так же один из ведущих авторов статьи.

Муравьи в первую очередь полагаются на свои антенны для взаимодействия с окружающей средой и другими муравьями. Исследователи заметили, что муравьи спонтанно собирались вокруг областей, где они чаще взаимодействовали.

Из этих наблюдений Махадеван и его команда определили два важных параметра, чтобы понять задачу раскопок муравьев - сила коллективного сотрудничества и скорость раскопок. Численное моделирование математических моделей, кодирующих эти параметры, показало, что муравьи могут успешно копать землю только тогда, когда они достаточно сильно сотрудничают друг с другом и одновременно эффективно копают землю.

Руководствуясь этим пониманием и опираясь на модели, исследователи построили роботов-муравьев по прозвищу RAnts, чтобы посмотреть, смогут ли они работать вместе, чтобы выбраться из подобного загона. Вместо химических феромонов RAnt оставляли за собой световые поля, или «фотормоны», которые имитируют феромонные поля или взаимодействия антеннами.

RAnt были запрограммированы только с помощью простых локальных правил: следовать градиенту поля фоторомона, избегать других роботов, где плотность фоторомона высока, но при этом поднимать препятствия, где плотность фоторомона высока, и сбрасывать их там, где фоторомона мало. Эти три правила позволили RAnt быстро выйти из заточения и, что не менее важно, позволили исследователям изучить области поведения, которые трудно обнаружить у настоящих муравьев.

«Мы показали, как совместное выполнение задач может возникнуть из простых правил, и подобные такие правила поведения могут быть применены для решения других сложных задач, таких как строительство, поиск, спасание и оборона». — сказал Прасат.

Этот подход является очень гибким и устойчивым к ошибкам в восприятии и контроле. Его можно масштабировать и применять к командам из десятков или сотен роботов, использующих различные типы коммуникационных полей, а так же использовать в разных сферах, таких как строительство, раскопки, или спасательное дело. Кроме того, он более устойчив, чем другие подходы к совместному решению проблем — даже если несколько отдельных роботов выходят из строя, остальная часть команды может выполнить задачу.

«Наша работа, сочетающая лабораторные эксперименты, теорию и роботизированную мимикрию, подчеркивает роль податливой среды как коммуникационного канала, посредством которого само усиливающиеся сигналы приводят к возникновению сотрудничества и тем самым к решению сложных проблем. Даже без глобального представления планирования или оптимизации, взаимодействие между простыми локальными правилами на индивидуальном уровне и воплощенной физикой коллектива приводит к разумному поведению и, таким образом, может иметь более широкое значение», — сказал Махадеван.

Источник: https://elifesciences.org/articles/79638#listing
Видео: https://youtu.be/a6Yg8C4O0Ps