Organizm minirobotów

Od organizmów wielokomórkowych po ławice ryb i roje owadów – natura wykorzystuje współdziałanie prymitywnych części składowych, aby osiągnąć coś większego niż prosta suma elementów. Tę zasadę zaczęli podpatrywać inżynierowie, tworząc mechanizmy potrafiące współpracować.

„W naturze grupy tysięcy, milionów czy wręcz miliardów pojedynczych elementów mogą organizować się w różne formacje" – pisze na łamach najnowszego wydania magazynu „Science" Michael Rubinstein, specjalista od robotyki Uniwersytetu Harvarda. „Przez kolektywne działanie grupa może zmienić sposób działania w swoim otoczeniu. Na przykład organizmy wielokomórkowe wypełniają nisze ekologiczne, a konstruowanie pomostów i gniazd pozwala koloniom mrówek pokonywać teren, zapewniając bezpieczeństwo królowej".

A gdyby tak spróbować przenieść te zasady do świata mechanicznego?

Bakterie

Właśnie to udało się zespołowi Michaela Rubinsteina (pracuje z nim Alejandro Cornejo i Radhika Nagpal). Ich proste maszyny – tzw. kiloboty – zachowują się jak jeden organizm. Dotąd udawało się to zrobić w grupach maszyn liczących kilkadziesiąt robotów. Naukowcy z Harvarda stworzyli algorytm pozwalający współpracować grupie ponad 1000 maszyn.

Roboty tworzące rój są – najdelikatniej rzecz ujmując – proste. Mają trzy sztywne nóżki i dwa elektryczne wibrujące silniczki. Dzięki tym wibracjom roboty mogą się przesuwać. Na „brzuchu" mają nadajnik i odbiornik podczerwieni. Fale, odbijając się od powierzchni, po której przesuwa się robot, pozwalają mu komunikować się z innymi, takimi samymi kilobotami. Zasięg tej komunikacji to ok. 10 centymetrów, czyli trzy średnice robota. I to wszystko.

I jak się okazuje to wystarczy, aby maszyny komunikowały się z sobą i tworzyły zaprojektowane przez człowieka konstrukcje. Kiloboty otrzymują ogólny plan, a to, jak go zrealizują, to już ich sprawa.

W piątkowym „Science" naukowcy opisują eksperymenty, podczas których kiloboty tworzyły zadane formacje. To na razie wzory dwuwymiarowe – roboty poruszały się po płaskim blacie, tworząc np. litery alfabetu.

Ale to jedynie próba. „Pokazaliśmy, że umiemy stworzyć samodzielny system cybernetyczny składający się z wielu prostych elementów, potrafiący wykonać złożone zadanie" – piszą naukowcy. „W przyszłości możliwe będzie zastosowanie tej technologii do tworzenia systemów samonaprawiających się, w których uszkodzone elementy będą zastępowane sprawnymi jednostkami, a także armii robotów budujących złożone struktury przez przyczepianie się maszyn do siebie".

Mrówki

Podobny system konstrukcyjny już zresztą istnieje. Wspomniana Radhika Nagpal opracowała maszyny wzorowane na owadach społecznych – termitach i mrówkach. W Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering Uniwersytetu Harvarda stworzyła TERMES – prototypy współdziałających maszyn budujących zadane przez człowieka konstrukcje. Jednak od „zwykłych" robotów różni je to, że człowiek nie musi dostarczać im dokładnego planu. Wystarczy ogólna koncepcja. Można im zatem nakazać, aby budowały wał przeciwpowodziowy, most albo mur, a sposób wykonania zostawić maszynom.

– Normalnie na początku mamy projekt i dokładny plan, jak go wykonać – tłumaczy Justin Werfel, który współpracował przy projekcie robotermitów TERMES. – Później wychodzi majster i kieruje ekipą. Ale w koloniach owadów instrukcji nie wydaje przecież królowa. Pojedynczy owad nie wie, co robią inne owady ani jaki jest ogólny stan konstrukcji.

Każdy mechaniczny owad wyposażany jest w prosty zestaw instrukcji pozwalający mu się poruszać, przenosić materiały budowlane (na razie to zaprojektowane specjalnie na potrzeby eksperymentów plastikowe „cegiełki") i wskazujący, jakimi zasadami się kierować przy stawianiu „cegiełki" na placu budowy. Maszyna ma trzy silniczki elektryczne i cztery czujniki – podczerwieni, ultradźwięków, akcelerometr (położenia) oraz zbliżeniowy – to po prostu zwykły przycisk gwarantujący, że maszyny nie będą na siebie wpadać.

– Podstawową rzeczą, którą zaobserwowaliśmy u termitów, jest to, że można zrobić coś naprawdę skomplikowanego jako grupa pracująca bez nadzorcy – podkreśla Nagpal.

– Pojedynczy robot może się zepsuć i wypaść z zespołu, ale reszta działa nadal – dodaje Werfel. – Nie ma żadnego elementu, którego awaria może zatrzymać pracę.

System jest elastyczny – przy budowie może pracować jeden, ale mogą też setki robotów. Jeżeli zechcemy, by zbudowały piramidę, roboty same stworzą odpowiednią konstrukcję, mimo że nie dostarczymy im żadnych planów. Zbudują sobie nawet schody, aby szybciej dostarczać cegiełki na miejsce.

– Spójrzcie, jak niezawodna jest armia robotów – podkreśla Werfel. – Jeżeli wyślemy skomplikowanego robota, na przykład C-3PO z „Gwiezdnych wojen", i zostanie uszkodzony, to mamy kłopot. Ale jeżeli wyślemy armię mechanicznych mrówek i połowę ich porwie rzeka, to reszta i tak dokończy zadanie.

Pszczoły

– Długoterminowa wizja zakłada wykorzystanie zespołów robotów do budowy konstrukcji dla ludzi. Szczególnie w otoczeniu, które jest nieprzyjazne dla człowieka – na przykład pod wodą lub na innych planetach – prognozuje Justin Werfel. – A w krótszej perspektywie czasu możemy budować na przykład wały przeciwpowodziowe.

Ale rój mechanicznych owadów może też mieć zaskakujące funkcje. O problemie wymierania pszczół słyszeli wszyscy – w niektórych krajach zadania zapylania roślin musieli podjąć się ludzie. To ręczna, delikatna i czasochłonna praca. A gdyby tak wykorzystać do tego automaty?