Як роботи вдали з себе термітів і побудували будинок
Три роботи будують замок з цеглин. Ця трійця без усілякого централізованого керівництва здатна побудувати найхитромудрышы будівлі. Рис. із обговорюваної статті у Science
Спостереження за будівництвом монументальних термітників надихнули вчених на створення спеціальних роботів-будівельників. Ці роботи, подібно до термітів, були позбавлені централізованого керівництва і керувалися при цьому простими правилами поведінки, актуальними "тут і зараз". Роботи сприймали присутність інших роботів і положення стопок будівельної "цегли" і, вміючи маніпулювати цеглинами зводили необхідні будівлі. Так вчені показали, що складні задачі можна виконати за допомогою автономно діючих одиниць, що орієнтуються у місцевіій обстановці і споряджені найпростішими правилами поведінки.
Троє спеціалістів з інституту Віса Гарвардського університету сконструювали роботів. що призначалися для будівництва. Щоправда ці роботи більше нагадували іграшки і повинні були не стільки зводити справжні висотки, скільки демонструвати можливості альтернативних систем керування.
Так виглядає робот-будівельник. Його параметри 17×11×12 см, вага 800 г, деталі виконані на 3D-принтері. Вид збоку: 1 - трипроменеві колеса, зручні для подолання перешкод і крокування сходами униз і вгору; 2 - хапалки цеглин, що підіймають цеглину із загальної стопки і вивантажують її на місце; 3 - трималки для цеглин; 4,5 - інфрачервоні сенсори, що розпізнають чорне і біле, оцінюють відстань вгору і вниз; 6 - ультразвукові сенсори (ця система підглянута конструкторами у кажанів, а не у термітів). Три автономні моторчики приводять конструкцію у рух, заряду вистачає на годину-півтори. "Цеглини" розміром 21,5×21,5×4,5 см і важать 200 г зроблені з пінополіуритану з 16 неодімовими магнітами по усіх гранях (8); форма пристроїв для хапалок роботав (7, 9-11). Схема з додаткових матеріалів до обговорюваної статті.
Ці мініатюрні роботи вміли складати будівлі з мініатюрних цеглин, але їх робота сильно відрізнялася від роботи усіх попередніх моделей. Уявімо собі процес зведення будинку. Спочатку архітектор робить креслення, потім наймаються робітники, до них приставляється знаючий прораб, який здатний читати креслення і керувати робітниками. Потім будівництво розпочинається. Робітники у відповідності до своїх навичок виконують послідовні операції, прораб намагається оптимізувати процес. Міцність і зручність будівлі залежить від талантів архітектора і досвіду та сумління прораба та виконавців.
Але є і інший спосіб щось побудувати. Його реалізують соціальні комахи, наприклад терміти. У них немає ніякого початкового плану, представленого головним архітектором-термітом, у них немає централізованого керівництва в особі прораба. Є тільки окремі комахи, що виконують прості будівельні операції. Вони керуються не наказами начальника, а простими правилами поведінки, що відповідають ситуації "тут і зараз". Їхні дії повністю залежать від поточної обстановки, від того, які операції виконували їхні побратими на попередньому етапі. Такий принцип організації дій називається стигмергічним. У результаті в термітів виходять споруди не меньш величні, ніж людські хмарочоси. Вони створюють їх не зважаючи на відсутність продуманого плану і централізованого керівництва.
Термітники у пустелі нагадують міста. Різні колонії термітів мають свій "архітектурний стиль", що передається генетично (див. : N. Mizumoto, K. Matsuura, 2013. Colony-specific architecture of shelter tubes by termites). Колонії дуже міцні, добре вентилюються, всередині підтримується необхідний терморежим. Фото з сайту www.outdoors.ru.
Гарвардські конструктори вирішили реалізувати для своїх роботів "термітний" спосіб будівництва. Вони позбавили роботів централізованого керування від імені "Головного Комп'ютера", а замість цього надали їм простий набір правил поведінки. Ці правила диктувалися виходячи з поточної обстановки,:положення інших роботів, розташування вже укладених цеглин. Також ці роботи мали набір жорстко закладених "інстинктивних" навичок та правил. Вони могли брати, підіймати та опускати цеглини, повзти вперед і назад, повертати та повертатися навколо власної осі, підійматися на одну сходинку вгору і опускатися на одну сходинку униз. Рухалися вони тільки за годинниковою стрілкою, щоб не створювати "корки" на дорозі. Також їм не дозволялося класти цеглину, якщо праворуч чи ліворуч вже лежить по цеглині. Це правило було введено, щоб не обмежувати маневреність робота, оскільки у цьому випадку робот не міг розвернутися. Покласти цеглину нагору можна було тільки в тому випадку, коли поруч є сходинка, в іншомі разі робот не зможе злізти з башти, чи зможуть роботи, озброєні цими правилами побудувати будинок?
Дії, що заборонені роботам: A - коли є проміжок шириною у цеглину, то цеглину туди ставити неможна, у іншому випадку робот може застрягнути; B - прилаштовувати цеглини переважно праворуч чи ліворуч від вже укладеної першої (сіра цеглина), у результаті створюються лінії; C - такого циклу утворитися не може, оскільки в цьому випдку роботу доведеться вставляти цеглину в проміжок між двома сусідніми; D - такі високі коридори робот будувати не може, оскільки він застрягне на повороті. Схема з додаткових матеріалів до обговорюваної статті.
Трьом відлагодженим роботам дали старт і вони почали будувати (процес знятий тут). Роботи-будівельники повзали на своїх трьохпроменевих ходилках, акуратно обходячи один-одного, копирсалися навколо будівлі з цеглинками і без, збиралися по сходинках і акуратно спускалися униз, укладаючи цеглини у порядку, зрозумілому тільки їм, - і ось готова піраміда Чечен-Іца... а ось Емпайр-стейт-білдінг.
Послідовні стадії будівництва моделі Емпайр-стейт-білдінг. Рис. з обговорюваної статті у Science.
Треба особливо підкреслити, що на відміну від термітів, конструктори задали своїм роботам необхідний кінцевий результат. Він завдавався набором координат у просторі, які мають бути заповнені цеглою (Правду сказати, ми не знаємо, чи є у термітів якесь уявлення про кінцевий результат). Якщо його не задати, то у роботів виходить галузева конструкція, такий собі лабіринт зі стежок, що розходяться). Його будова цілком залежить від набору правил і заборон та від поточної обстановки (що і де вже побудовано). Автори відмічають, що такими принципами користується і людина при будівництві міст. Так чи інакще роботи обійшлися без прораба, що вказував би, куди кому рухатися і куди класти цеглу. Вони справилися із завданням, а необхідну конструкцію будували кожного разу новим способом.
Така система, як вказують її творці, проста: кожному роботу заданий невеликий набір однакових правил поведінки. Вона має необхідну ситуаційну гнучкість, а кінцевий результат завжди так чи інакше досягається. Важливо, що система при цьому позбавлена усіх недоліків централізованого керівництва. коли доводиться аналізувати занадто великий об'єм інформації і знаходити оптимальне рішення одночасно для усіх діючих елементів.. така система автономно діючих роботів відкриває чудову можливість будівництва об'єктів у важкодоступних районах, або небезпечних ситуаціях. Для її реалізації доведеться, щоправда, вирішити багато технічних завдань, але все ж. Крім того, є над чим поміркувати теоретикам-філософам: тут і принципи централізованого та децентралізованого керування інепередбачуваність суми простих правил у складних системах...
Джерела:
http://www.sciencemag.org/content/343/6172/754
http://elementy.ru/news?newsid=432195