# Секрет Терминатора: как превратить шестеренки в жидкий металл? Источник: https://www.youtube.com/watch?v=V3X7oeqRjpQ Канал: Stanford Online Опубликовано: 14.05.2024 --- 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 [[JUMP: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 [[JUMP: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 [[JUMP: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: 1. Первые прототипы ячеек снабжались выдвижными механическими «руками», которые должны были цепляться и подтягивать соседей, но они лишь беспорядочно покачивались без какой-либо полезной работы. 2. Идея с активным кабельным натяжением позволяла выполнить ровно одно движение, после чего система блокировалась, лишая коллектив возможности совершать произвольные перестройки. 3. 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 [[JUMP: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 [[JUMP: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» [[JUMP: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 [[JUMP: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 [[JUMP: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.