«Безмозглые» роботы, которые движутся синхронно, полностью питаются от воздуха

Команда под руководством Оксфордского университета разработала новый класс мягких роботов, которые работают без электроники, двигателей и компьютеров, используя только давление воздуха. Исследование, опубликованное в Расширенные материалыпоказывает, что эти «жидкостные роботы» могут генерировать сложные ритмичные движения и даже автоматически синхронизировать свои действия.

Профессор Антонио Форте (факультет инженерных наук Оксфордского университета, руководитель RADLab) сказал: «Мы рады видеть, что безмозглые машины могут спонтанно генерировать сложное поведение, децентрализуя функциональные задачи на периферии и высвобождая ресурсы для более интеллектуальных задач».

Преодоление ключевой проблемы в мягкой робототехнике

Мягкие роботы (изготовленные из гибких материалов) идеально подходят для таких задач, как передвижение по неровной местности или обращение с хрупкими предметами. Основная цель мягкой робототехники — закодировать поведение и принятие решений непосредственно в физическую структуру робота, что позволит машинам стать более адаптивными и отзывчивыми.

Такое автоматическое поведение, возникающее в результате взаимодействия тела и окружающей среды, часто трудно воспроизвести с помощью традиционных электронных схем, которые требуют сложных систем распознавания, программирования и управления.

Чтобы решить эту проблему, исследователи черпали вдохновение из природы, где части тела часто выполняют несколько ролей, а синхронизированное поведение может возникать без центрального контроля. Их ключевым нововведением была разработка небольшого модульного компонента, который использует давление воздуха для выполнения механических задач — аналогично тому, как электронная схема использует электрический ток. В зависимости от того, как он настроен, этот отдельный блок может:

• Активировать (перемещать или деформировать) в ответ на давление воздуха изменения — функционируя как мышца.
• Ощущайте изменения давления или контакта — аналогично сенсорному датчику.
• Переключайте поток воздуха между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ, как клапан или логический элемент.

Подобно деталям LEGO, несколько одинаковых блоков (каждый размером в несколько сантиметров) можно соединить, чтобы сформировать разных роботов, не меняя базовую конструкцию оборудования. В ходе исследования ученые сконструировали настольных роботов (размером примерно с коробку из-под обуви), которые могли прыгать, трястись или ползать.

В конкретной конфигурации исследователи обнаружили, что каждая отдельная единица может автоматически совмещать все три роли одновременно, что позволяет ей самостоятельно генерировать ритмичные движения при приложении постоянного давления. Когда несколько из этих реагирующих единиц соединяются вместе, их движения начинают синхронизироваться естественным образом, без какого-либо компьютерного контроля или программирования.

Эти модели поведения были использованы для создания робота-шейкера (способного сортировать шарики в разные контейнеры, наклоняя вращающуюся платформу) и робота-гусеничного робота (который мог обнаруживать край стола и автоматически останавливаться, предотвращая падение). В каждом случае скоординированные движения достигались полностью механически, без внешнего электронного управления.

Ведущий автор доктор Мостафа Муса (факультет инженерных наук Оксфордского университета) сказал: «Эта спонтанная координация не требует никаких заранее определенных инструкций, а возникает исключительно из-за того, как блоки связаны друг с другом и в результате их взаимодействия с окружающей средой».

Закладываем основу для воплощенного интеллекта

Важно отметить, что синхронизированное поведение наблюдается только тогда, когда роботы связаны друг с другом и касаются земли. Чтобы объяснить такое поведение, исследователи использовали математическую структуру, называемую моделью Курамото, которая описывает, как сети осцилляторов могут синхронизироваться.

Это показало, что сложное, скоординированное движение может возникнуть у роботов исключительно благодаря их физической конструкции, когда они механически связаны с окружающей средой. В этом случае движение каждой ноги робота тонко влияет на другие через общие силы реакции тела и земли.

Это создает петля обратной связи где силы, передаваемые через трение, сжатие и отскок, связывают движения конечностей вместе, что приводит к спонтанной координации.

Доктор Муса сказал: «Подобно тому, как светлячки могут начать мигать в унисон, наблюдая друг за другом, конечности робота с пневматическим приводом также приходят в ритм, но в этом случае через физический контакт с землей, а не с визуальными подсказками. Такое возникающее поведение ранее наблюдалось в природе, и это новое исследование представляет собой важный шаг вперед на пути к программируемым, саморазумным роботам».

Хотя мягкие роботы разработанные в настоящее время находятся в настольном масштабе, по мнению исследователей, принципы проектирования не зависят от масштаба. В ближайшем будущем исследователи намерены изучить эти динамические системы для создания энергоэффективных непривязанных локомоторов. Это было бы шагом вперед на пути к широкомасштабному использованию этих роботов в экстремальных условиях, где не хватает энергии и необходима адаптируемость.

Профессор Форте добавил: «Закодирование принятия решений и поведения непосредственно в физическую структуру робота может привести к созданию адаптивных, быстро реагирующих машин, которым не нужно программное обеспечение, чтобы «думать». Это переход от «роботов с мозгом» к «роботам, имеющим собственный мозг». Это делает их быстрее, эффективнее и потенциально лучше взаимодействует с непредсказуемой средой».