Цивилизация
Способность управлять большими группами взаимодействующих объектов — от микроскопических нанокапсул до автономных роботов — остается одной из самых сложных технологических задач. Существующие подходы либо плохо масштабируются, либо не учитывают ключевые параметры среды. Исследователи Пермского Политеха предложили решение, вдохновившись механизмами коллективного выживания императорских пингвинов. Они усовершенствовали математическую модель самоорганизации и впервые проанализировали поведение каждого агента по отдельности, раскрывая переход от индивидуальных решений к групповому движению. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
В природе задача поведения тысяч элементов решена идеально. Императорские пингвины, переживающие антарктические шторма, собираются в плотные скопления, где температура значительно выше внешней. Достигнув критической численности, стая переходит к организованному вихревому движению: птицы с холодной периферии постепенно перемещаются к теплому центру и наоборот. Так каждая особь получает доступ к теплу, а колония выживает без какого-либо управления.
Эта логика легла в основу модели Пермского Политеха. Ранее ученые доказали: если группа простых роботов движется к источнику тепла, она способна формировать упорядоченные структуры. Однако тогда анализ велся на уровне всей системы. Сейчас исследователи выделили поведение каждого агента.
В основу обновленной модели легли два правила, воспроизведенные по наблюдениям за пингвинами: стремление к теплу и отталкивание на малых дистанциях. Чем холоднее условия, тем сильнее агент тянется к группе. Но при сближении элементов возникает «давление», которое не дает им столкнуться.
Чтобы проверить универсальность принципов, ученые использовали рой роботов Kilobot. Выяснилось, что искусственные агенты демонстрируют те же переходы, что и живые группы. При малом числе объектов система формирует неподвижную кристаллоподобную структуру. Но после превышения порога — около 110 агентов — возникает спонтанное вихревое движение. Оно обеспечивает перераспределение тепла, позволяя каждому элементу проводить часть времени в благоприятной зоне.
«Механическое движение агентов рассчитывалось пошагово: на каждом временном шаге программа определяла положение всех роботов и силы притяжения и отталкивания», — пояснил младший научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ Кирилл Костарев.
По его словам, выявленный пороговый эффект имеет ключевое практическое значение. Он позволяет заранее вычислять численность группы, необходимую для запуска согласованного движения — параметр, важный при проектировании реальных роев роботов.
Принципы, открытые исследователями, уже находят потенциальное применение. Например, рои автономных подводных или космических дронов могут использовать терморегуляцию для работы в экстремально холодных условиях. А в биомедицине нанокапсулы с лекарством смогут самостоятельно собираться в зоне опухоли, где повышение температуры вызовет локальное высвобождение препарата.
Ранее в России запустили открытую платформу тестирования управления роботами.