Умные микророботы научились самоорганизовываться и общаться с помощью звука

В будущем сотни микророботов смогут работать вместе, как косяк рыб — слаженно перемещаться, адаптироваться, восстанавливаться и общаться друг с другом, используя только звуковые сигналы. И это будущее может наступить гораздо раньше, чем кажется.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, международная команда ученых из Университета Пенсильвании и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана продемонстрировала, как крошечные роботы, названные «роями», могут использовать акустические сигналы для спонтанного формирования интеллектуальных коллективов, способных менять форму.

Эти самоорганизующиеся группы демонстрируют кооперативное поведение, включая анализ окружающей среды, принятие решений и даже самовосстановление.

«Это значительный шаг к созданию более умных, устойчивых и полезных микророботов с минимальной сложностью, которые смогут решать сложнейшие мировые проблемы», — заявил ведущий автор исследования, профессор биомедицинской инженерии, химии и математики Университета Пенсильвании Игорь Аронсон.

Подобно летучим мышам или китам, использующим сонар для координации движений, эти искусственные роевики оснащены миниатюрными акустическими излучателями и детекторами. Они излучают звуковые волны в окружающую среду, анализируют отраженные сигналы и корректируют свое поведение.

Когда звуковые волны от нескольких роботов взаимодействуют, формируется «звуковое поле», позволяющее им синхронизировать внутренние осцилляторы и двигаться в направлении наиболее сильного сигнала.

В ходе моделирования команда показала, что микророботы могут спонтанно формировать различные структуры, каждая из которых обладает собственной формой коллективного интеллекта. Среди них — змеевидные рои, способные проникать в узкие пространства, личинкообразные скопления, двигающиеся целенаправленно, кольцеобразные структуры (названные «уроборосами») и кластеры, напоминающие вольвокс, с синхронизированным ядром и хаотичным внешним слоем.

Каждая формация обладала уникальными поведенческими особенностями, определяемыми чувствительностью роботов к звуковым сигналам и их скоростью. Например, медленные роботы с высокой чувствительностью формировали статичные, плотно синхронизированные скопления, тогда как более быстрые создавали «змей», способных слаженно двигаться вперед.

В демонстрации удивительной адаптивности змеевидные рои успешно преодолевали узкие препятствия, временно изменяя форму, а затем восстанавливая ее, подобно осьминогу, пробирающемуся через маленькое отверстие.

Отличительной чертой этой системы является не только способность к самоорганизации, но и возможность самовосстановления. В одном из экспериментов ученые «обезглавили» личинкообразный рой, удалив его ведущую часть. Оставшиеся роботы переориентировались, сформировали новую «голову» и продолжили движение.

Кроме того, роботы продемонстрировали зачатки восприятия. При появлении внешней угрозы — движущегося отражающего объекта — отраженные звуковые волны изменяли акустическое поле, заставляя рой менять поведение. Например, подвижный личинкообразный рой превращался в статичный сгусток, а вольвоксоподобный кластер сбрасывал хаотичные внешние слои, становясь более компактным.

Исследователи также обнаружили, что рои могут взаимодействовать друг с другом через звуковые волны. Два кластера стабилизировались на определенном расстоянии, определяемом длиной волны их сигналов, что указывает на примитивную форму межроевой коммуникации.

Чтобы проверить возможность внешнего управления, ученые ввели акустический «маяк» — направленный звуковой сигнал, с помощью которого удалось захватить, переместить и освободить группу роботов в виртуальной среде. Этот метод открывает перспективы для управления медицинскими нанороботами в организме или координации поисково-спасательных операций.

Хотя пока эти звукоуправляемые микророботы существуют лишь в симуляциях, их принципы работы основаны на реальных физических законах. Следующим шагом станет создание экспериментальных прототипов и интеграция акустической коммуникации в реальные устройства.

«Мы не ожидали, что наши модели покажут такой высокий уровень слаженности и интеллекта при такой простоте роботов», — отметил Аронсон. «Каждый робот имеет мотор, микрофон, динамик и осциллятор. Но этого достаточно для коллективного разума».

Если дальнейшие эксперименты окажутся успешными, это может ознаменовать новую эру в робототехнике, где координация будет достигаться за счет простых, вдохновленных природой механизмов.