В Пермском Политехе смоделировали самосборку роботов

Для выживания многие живые организмы собираются в стаи. И это не только высшие животные: водоросли и бактерии могут образовывать плотные колонии вокруг источников пищи или света.

Фото: Freepik by kamchatka, CC BY 4.0

Такой примитивный способ самоорганизации, как биоконвекция, присущ и более сложным существам. Императорские пингвины, к примеру, собираются зимой в плотные стаи, внутри которых температура выше. Все участники такой группы непрерывно циркулируют, чтобы каждый успел согреться, побывав в эпицентре тепла.

Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета смоделировали такой эффект в группе роботов, выделяющих тепло: каждый из них стремился в точку с наивысшей температурой, в точности повторяя поведение пингвинов в стае. Результаты эксперимента обнародованы журналом Fluid Dynamics & Materials Processing, сообщили в ПНИПУ в четверг.

В биологии процесс объединения отдельных особей в активную среду называется самосборкой. Для таких систем характерны фазовые переходы первого и второго порядка – похожие на физические явления при изменении агрегатного состояния вещества. Например, вышеупомянутые пингвиньи стаи, будучи разреженными, демонстрируют свойства газа, а уплотняясь, больше напоминают жидкость.

Проведённое в Пермском Политехе математическое моделирование показало, что с роем роботов, подчиняющихся стайному алгоритму, происходит то же самое.

«Так можно наблюдать внезапную циркуляцию роботов от края группы к её центру и обратно, что напоминает классическую тепловую конвекцию (течение, которое образуется при нагреве снизу и охлаждении сверху). Мы обнаружили, что с увеличением числа особей рой демонстрирует всё более сложные модели циркуляции», — объясняет аспирант кафедры прикладной физики ПНИПУ Кирилл Костарев.

Таким образом, законы взаимодействия в сложных системах одинаковы независимо от того, из чего они состоят – живых организмов или искусственных элементов.

«Мы рассмотрели свойства сформировавшегося роя из мелких роботов в заданных границах. Результаты анализа математической модели показали, что с увеличением их количества в рое проявляется самоорганизация. В эту категорию попадают как стайные живые организмы, так и коллективы из роботов с вибромоторами», — резюмирует заведующий кафедрой прикладной физики ПНИПУ доктор физико-математических наук Дмитрий Брацун.

Точкой самосборки роботов не обязательно должно быть тепло, это может быть свет или любой другой сигнал – принципы стайности остаются теми же. Открытие имеет фундаментальное значение для создания колоний микро- и нанороботов для медицинских целей.