Изучение биологических процессов формирования тканей у эмбрионов вдохновило инженеров на создание совершенно нового класса робототехнических систем. Исследователи спроектировали коллектив роботов, способных воспроизводить пластичное поведение живых организмов за счет изменения внутренней топологии и плотной упаковки элементов. По мнению авторов проекта, этот прорыв закладывает основу для создания полноценной «программируемой материи», способной трансформироваться и менять свои физические свойства изнутри самого материала.
🧬 Морфогенез как источник инженерного вдохновения 0:09
В живой природе эмбрионы претерпевают удивительные трансформации в процессе морфогенеза, когда исходная сферическая масса клеток постепенно превращается в сложный организм, например в рыбу или саламандру. Ключевой особенностью этого процесса является то, что клетки непрерывно движутся относительно друг друга, меняя топологию своих связей. В биологии это явление плотной упаковки и внутренней перестройки определяет изменение формы и жесткости всей ткани.
Группа инженеров задалась вопросом: можно ли воспроизвести этот механизм в искусственной роботизированной системе? Спикер подчеркивает, что их целью было создание коллектива, где перестройки происходят плотно упакованными элементами и по всему объему материала, а не только на его поверхности. Подобный подход принципиально отличается от традиционной групповой робототехники, где независимые агенты, такие как квадрокоптеры, просто удерживают строй в воздухе.
🤖 Ограничения существующих робототехнических систем 2:34
Перед тем как приступить к собственной разработке, исследователи проанализировали существующие аналоги коллективных роботов, способных менять форму. Было отмечено несколько ключевых проектов:
- Модульная система Марка Йима (Mark Yim), блоки которой могут перемещаться, соединяться и разъединяться. Однако любое изменение формы здесь требует отсоединения модуля и его перемещения по внешнему периметру конструкции.
- Разработка команды Йегера (Yeager) и Спенко (Spenko), описанная в журнале Science Robotics, которая обладает схожим ограничением — перемещение элементов происходит исключительно по контуру.
- Знаменитый проект Kilobots, состоящий из 1000 миниатюрных роботов. Несмотря на впечатляющие масштабы и способность формировать сложные плоские фигуры, их движения также ограничены периметром, а внутренняя часть массива остается статичной.
Спикер утверждает, что до сих пор никто не реализовывал перемещение элементов внутри плотно упакованного объема из-за чрезвычайной технической сложности задачи. Гораздо проще пустить робота в обход по внешней стороне, чем заставить его протискиваться сквозь тесную массу соседей.
📐 Проектирование робота: три столпа Т1-перехода 5:56
Чтобы реализовать движение внутри объема, инженеры обратились к фундаментальному биологическому процессу, известному как Т1-переход или интеркаляция (intercalation). При такой перестройке четыре соседние клетки меняют свой порядок: две изначально несвязанные клетки сходятся, а две другие разделяются, что приводит к удлинению ткани вдоль определенной оси.
Для воссоздания Т1-перехода в железе разработчикам пришлось решить три основные проблемы, первая из которых — приложение необходимых сил. Докладчик поделился историей их неудачных попыток:
- Первые прототипы ячеек снабжались выдвижными механическими «руками», которые должны были цепляться и подтягивать соседей, но они лишь беспорядочно покачивались без какой-либо полезной работы.
- Идея с активным кабельным натяжением позволяла выполнить ровно одно движение, после чего система блокировалась, лишая коллектив возможности совершать произвольные перестройки.
- Изучение циркуляции липидов в клеточных мембранах натолкнуло команду на мысль использовать тангенциальные поверхностные силы. Попытка применить резиновые ленты с моторчиками закончилась неудачей и появлением «белого дыма нехорошего происхождения».
В итоге авторы пришли к использованию шестерен, расположенных по периметру каждого робота. Вращение этих шестерен создает сдвиговые потоки и тангенциальные силы. Эксперименты показали, что восьми шестерен на одном роботе достаточно, чтобы эффективно аппроксимировать поверхностные потоки живой клетки. Инженеры оснастили каждую шестеренку независимым мотором с Amazon, что упростило замену вышедших из строя компонентов. Готовые модули были окрашены в синий и золотой цвета — официальные цвета Университета Санта-Барбары.
🧲 Адгезия и полярность: сборка и управление коллективом 13:36
Вторым важным элементом конструкции стала адгезия — способность роботов удерживаться вместе. Для этого инженеры использовали магниты. Чтобы оптимизировать силу сцепления, команда отказалась от крупных внутренних магнитов в пользу небольших, но расположенных у самой поверхности. По словам разработчиков, это позволило получить необходимую начальную силу контакта (около 12 Ньютонов) и одновременно обеспечить быстрый спад силы при отдалении, упрощая перестройку. Сами магниты были сделаны плавающими: они свободно вращаются в пазах, автоматически подстраиваясь под полярность соприкасающегося соседа.
Третьим столпом проектирования стала поляризация, необходимая для того, чтобы роботы понимали вектор желаемого удлинения ткани. Первоначальная идея использовать яркий направленный свет сбоку провалилась из-за эффекта затенения дальних роботов ближними. Идея со сканирующим лучом сверху вызывала у исследователей головокружение.
Финальным решением стало использование поляризованного света. На верхней плате каждого робота установлены 8 фотодиодов, покрытых радиально ориентированной поляризационной пленкой. Благодаря этому, независимо от физического разворота самого робота, его электроника всегда точно определяет, где находится условный «север». Тесты с четырьмя роботами подтвердили, что они стабильно выполняют Т1-переход, автоматически перестраивая логику вращения своих шестерен под заданный световой вектор.
📊 Сила флуктуаций: управление формой и прочностью 19:12
В ходе исследований ученые обнаружили, что ключевым фактором управления коллективом является подача флуктуирующего сигнала на моторы. Живые клетки не давят с постоянной силой, они постоянно пульсируют. Инженеры решили проверить, как средняя сила и амплитуда ее флуктуаций влияют на поведение системы.
Эксперименты с четырьмя ячейками выявили наличие жестких порогов. При увеличении только средней силы или только амплитуды флуктуаций движение отсутствует вовсе, пока параметры не достигнут критической точки, после чего происходит резкий скачок к полноценной перестройке. Двумерная фазовая диаграмма наглядно продемонстрировала: чем сильнее роботы «вибрируют» (флуктуируют), тем меньшая средняя движущая сила требуется для изменения формы коллектива.
Докладчик объясняет этот феномен на аналогии с растрескиванием стекла: флуктуации позволяют точечно преодолевать барьер статического трения или силу сцепления, инициируя перестройку. С точки зрения энергопотребления такой режим крайне выгоден. Хотя общие затраты энергии остаются сопоставимыми из-за увеличения времени процесса, пиковая требуемая мощность падает в разы. По мнению авторов, это объясняет, почему биологические клетки используют флуктуации для экономии запасов АТФ.
Тот же принцип применим и для изменения прочности. Поставив на конструкцию из роботов груз весом 25 фунтов (около 11,3 кг), ученые провели краш-тесты. В выключенном состоянии роботы ведут себя как жесткий и хрупкий материал, выдерживая до 140 Ньютонов нагрузки до полного разрушения. Однако при активации шестерен и подаче флуктуаций материал разжижается, жесткость резко падает, позволяя коллективу пластично деформироваться под нагрузкой.
🌊 Масштабирование до 20 роботов и «эффект Терминатора» 33:18
Окрыленные успехом, инженеры масштабировали систему. Спикер иронично отмечает, что создание коллективной робототехники — тяжелый труд, и из 25 собранных вручную роботов 5 постоянно находятся «в госпитале» на ремонте. Тем не менее, оставшихся 20 единиц хватило для демонстрации полноценных bulk-эффектов.
Брошенные в арену роботы не имеют начальной ориентации. Но как только включается поляризованный свет, они слаженно вытягиваются в линию, стремясь к энергетическому минимуму. Данные подтверждают прямую корреляцию: высокая амплитуда флуктуаций обеспечивает большее количество топологических перестроек в единицу времени и, как следствие, максимально быстрое изменение геометрии.
Материаловедческие тесты 20-роботного коллектива показали следующие результаты:
- Без управления (в выключенном состоянии) массив роботов ведет себя как хрупкое твердое тело и при перегрузке ломается с образованием трещины.
- При включении максимальных флуктуаций коллектив превращается в вязкопластичный материал, который буквально течет под нагрузкой и сохраняет деформацию после снятия веса, снижая предел текучести практически до нуля.
Авторы называют это «эффектом Терминатора» и демонстрируют возможность пространственно-временного контроля: флуктуируя только левую половину массива, они заставляют ее течь и менять форму, в то время как правая половина сохраняет твердость и удерживает структуру.
🛠️ Практические демонстрации: от самоисцеления до умных инструментов 38:18
Чтобы доказать практическую применимость концепции, исследователи провели серию демонстраций с коллективом из 20 роботов:
- Формирование опорных структур: Роботы в жидком состоянии перетекли в пространство между двумя опорами, образовали мост, а после выключения флуктуаций затвердели и смогли выдержать вертикальную нагрузку в 4 килограмма.
- Самоисцеление: Моделируя сквозное ранение жидкого Терминатора, инженеры раздвинули роботов, создав брешь. При активации флуктуаций ячейки мгновенно затянули пустоту, восстановив целостность и прочность материала без долгих химических реакций.
- Адаптивная стена: Исследователи разжижили локальную зону в массиве роботов, чтобы без усилий воткнуть туда крупный бутафорский гвоздь, после чего отключили питание ячеек, намертво зафиксировав его в стене для удержания веса.
- Трансформируемый манипулятор: Коллектив менял свою форму, вытягиваясь в узкую линию, чтобы проникнуть в тесную расщелину, захватить деталь, а затем перестраивался в широкий обхват для перемещения крупного яйцевидного объекта. Для минимизации трения о подложку использовались стеклянные микросферы.
- Универсальный гаечный ключ: Роботы обволокли треугольную гайку неправильной формы, приняли ее точные контуры и приложении внешнего усилия успешно провернули ее.
- Командное проталкивание: Роботы хаотично, но эффективно скооперировались, чтобы протиснуть небольшой деревянный брусок через узкие ворота.
❓ Вопросы и ответы: перспективы миниатюризации и управления 43:09
Сессия вопросов и ответов позволила глубже раскрыть философию исследования и будущие планы команды:
- Переход к трехмерному пространству (3D): Живые клетки работают в трех измерениях, и хотя текущие роботы функционируют в 2D, используемые физические принципы масштабируются на 3D. Разработчики признают, что создание трехмерной структуры — их следующий большой вызов.
- Преимущество физических роботов перед симуляцией: По мнению спикера, компьютерные модели часто идеализируют трение и заклинивание (jamming). Физический робот, созданный как робофизическая модель по заветам Дэна Голдмана (Dan Goldman), позволяет выявить реальные проблемы взаимодействия шестерен, которые симуляция может упустить.
- Секреты управления: В текущих тестах используется полуавтоматический режим с участием человека (human-in-the-loop). Аспирант вручную перемещает, фокусирует и вращает поляризованный источник света над ареной, задавая роботам нужные алгоритмы поведения.
- Коммуникация между агентами: Текущие ячейки абсолютно автономны и не общаются друг с другом. Спикер отметил, что в будущем можно внедрить локальный обмен данными между соседями, как это сделано в Kilobots.
- Финальное видение и миниатюризация: Конечная цель авторов — уменьшить роботов до субмиллиметрового или микронного масштаба. Спикер сравнивает это с внутренней металлообработкой или литьем под давлением: вместо изменения формы ложки с помощью внешнего тепла и пресса, каждая микрочастица будущей программируемой материи будет генерировать энергию изнутри себя для создания любого объекта на лету.
- Использование пассивных элементов: Чтобы поберечь нервы студентов, исследователи провели эксперименты с добавлением «пустышек» (dummy) — пассивных роботов без моторов. Выяснилось, что коллектив сохраняет способность менять форму, даже если активна лишь часть элементов.
- Динамическая адгезия: Отвечая на вопрос о гипотезе дифференциального сцепления клеток в морфогенезе, спикер согласился, что следующим шагом может стать замена постоянных магнитов на электромагниты, чтобы динамически менять силу притяжения между роботами.
