Przywitaj się z robotami cząstek
Kiedy myślisz o robotach, pierwsze rzeczy, które mogą Ci przychodzić na myśl, to:androidy, jak w filmach science fiction i programach telewizyjnych, takich jak „Gwiezdne wojny” czy „Orville“. A może wyobrażasz sobieroboty przemysłowektóre budują samochody na liniach montażowych. Oba te rodzaje robotów rzeczywistych i sci-fi składają się z wielu złożonych części. Zazwyczaj są zaprojektowane do określonego celu.
Teraz naukowcy z MIT, Columbia University, Cornell University i Harvard University twierdzą, że próbują przemyśleć robotykę w fundamentalny sposób. W tym celu opracowali nowy rodzaj systemu robotycznego –roboty cząstek– inspirowane zachowaniem komórek biologicznych. Czy rozwój robotów cząstek to krok w kierunku futurystyki?szara masaczyli roboty składające się zmiliardynanocząstek? Być może. Naukowcy twierdzą, że mają na myśli roboty, które mogłyby badać nowe tereny lub oczyszczać zanieczyszczone obszary. Oniogłoszonyich nową koncepcję w dniu 20 marca 2019 rokurecenzowaneartykuł został opublikowany w czasopiśmieNaturatego samego dnia.
Jak sama nazwa wskazuje, roboty te składają się z „cząstek” – pojedynczych i identycznych jednostek w kształcie dysków, luźno połączonych magnesami na obwodzie. Cząstki mogą się tylko rozszerzać i kurczyć; to nie brzmi jak dużo, ale kiedy ich ruchy są starannie zsynchronizowane, pchają i ciągną się nawzajem w skoordynowanym, płynnym ruchu.
Mogą nawet nawigować w kierunku źródeł światła. Jak wyjaśniono przezDaniela Ruś, dyrektor Laboratorium Informatyki i Sztucznej Inteligencji (CSAIL) oraz Andrew i Erna Viterbi, profesor elektrotechniki i informatyki na MIT:
Mamy małe komórki robotów, które nie są tak zdolne jako jednostki, ale mogą wiele osiągnąć jako grupa. Sam robot jest statyczny, ale kiedy łączy się z innymi cząsteczkami robota, nagle kolektyw robotów może badać świat i kontrolować bardziej złożone działania. Dzięki tym „uniwersalnym komórkom” cząstki robota mogą osiągać różne kształty, globalną transformację, globalny ruch, globalne zachowanie i, jak wykazaliśmy w naszych eksperymentach, podążać za gradientami światła. To jest bardzo potężne.
Chociaż cząstki działają jak jedna jednostka, nie komunikują się bezpośrednio ze sobą, więc cząstki można usuwać lub dodawać w razie potrzeby. Nawet jeśli wiele cząstek działa nieprawidłowo, nadal mogą wykonywać zadania. Są również bardzo elastyczne, potrafią omijać przeszkody i przeciskać się przez ciasne szczeliny. Zdaniem naukowców tego typu roboty mogą zapewnić bardziej skalowalne, elastyczne i solidne systemy.
Więc jak te cząstki działają i wchodzą ze sobą w interakcje?
Ponieważ cząstki są dyskami, mogą się wokół siebie obracać – trochę jakkoła zębate– a także łączyć i rozłączać, tworząc wiele różnych konfiguracji. Są zaprogramowane do kurczenia się i rozszerzania w dokładnej sekwencji – to popycha i ciągnie cały zespół cząstek w kierunku źródła światła. Cząstki mająalgorytmyktóre analizują nadawane informacje o natężeniu światła z każdej innej cząsteczki, bez potrzeby bezpośredniej komunikacji między cząsteczkami.
Inny widok dysków w robocie cząstek. Zdjęcie za pośrednictwem Columbia Engineering.
Roboty cząsteczkowe mogą wykorzystywać połączone ruchy cząsteczek, aby poruszać się w kierunku źródła światła jako jednej jednostki. Zdjęcie za pośrednictwem Columbia Engineering.
Każda cząsteczka wykrywa intensywność światła ze źródła światła, a emitowany przez nią sygnał współdzieli tę obliczoną intensywność z każdą inną cząsteczką. Jak można się spodziewać, im bliżej źródła światła znajduje się cząstka, tym większa intensywność. Cząstka, która wykryje największe natężenie światła, rozszerzy się jako pierwsza. Następnie, w kolejności, kolejne cząstki rozszerzą się, gdy pierwsze zaczną się ponownie kurczyć. Niezbędne jest precyzyjne odmierzanie czasu ze wspólnego, zsynchronizowanego zegara pomiędzy cząsteczkami.Shuguang Li, postdoc CSAIL na MIT, wyjaśnił to w ten sposób:
W ten sposób powstaje mechaniczna fala rozszerzająco-kurcząca się, skoordynowany ruch pchający i ciągnący, który przesuwa dużą gromadę w kierunku bodźców środowiskowych lub od nich. Jeśli zepsujesz zsynchronizowany zegar, system będzie działał mniej wydajnie.
Wyniki mogą być niezwykłe – nawet symulowane skupiska do 10 000 cząstek zachowały swój ruch z połową prędkości, gdy do 20% cząstek uległo awarii. WedługHod Lipsonw Columbia Engineering:
To trochę jak przysłowiowa „szara maź”. Kluczową nowością jest tutaj nowy rodzaj robota, który nie ma scentralizowanej kontroli, pojedynczego punktu awarii, ustalonego kształtu, a jego komponenty nie mają unikalnej tożsamości.
Kiedy większość ludzi myśli o robotach, mogą przyjść na myśl takie jak C-3PO i R2-D2 z Gwiezdnych Wojen. Obraz przezGordon Tarpley, CC BY-SA.
Przyszłość tej nowej technologii robotycznej jest jeszcze bardziej niesamowita – roboty złożone zmilionytakich cząstek, wszystkie współpracują ze sobą zgodnie. Jakzauważył Lipson:
Uważamy, że pewnego dnia będzie możliwe zrobienie tego rodzaju robotów z milionów maleńkich cząstek, takich jak mikrokulki, które reagują na dźwięk, światło lub gradient chemiczny. Takie roboty mogą być używane do takich rzeczy, jak sprzątanie obszarów lub eksploracja nieznanych terenów/struktur.
Próbowaliśmy fundamentalnie przemyśleć nasze podejście do robotyki, aby odkryć, czy istnieje sposób na zrobienie robotów inaczej. Nie tylko sprawić, by robot wyglądał jak istota biologiczna, ale faktycznie zbudował go jak system biologiczny, aby stworzyć coś, co jest ogromne pod względem złożoności i możliwości, a jednocześnie składa się z fundamentalnie prostych części.
Te cząstki w kształcie dysku skupiają się razem, tworząc „robot cząstek”, który może poruszać się w kierunku światła i przenosić inne obiekty. Zdjęcie za pośrednictwem Felice Frankel/MIT.
Konkluzja: Robotycy przemyśleli sposób, w jaki budują roboty. Roboty cząsteczkowe nie wyglądają jak stworzenia biologiczne, ale są zbudowane jak systemy biologiczne, o ogromnej złożoności i możliwościach, ale złożone z zasadniczo prostych części. Czy roboty cząsteczkowe to krok w kierunku przysłowiowej „szarej mazi”?
Źródło: Robotyka cząstek oparta na mechanice statystycznej luźno sprzężonych elementów