Біологія
Технології
Біологія
Технології

Шість роботів навчилися колективної поведінки у червів

Інженери вирішили дослідити, як каліфорнійські чорні черви можуть утворювати клубки та вузли і самоорганізовано рухатися як «активна матерія». Так з’ясувалося, що вони реагують на тепло і світло, але рух починають та координують окремі особини. Цієї поведінки вчені вирішили навчити шістьох роботів, яких також зробили чутливими до світла і тепла, та дали їм можливість об’єднуватися. Така зграя роботів виявилася набагато більш ефективною для управління, повідомляється у статті, опублікованій у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Колективна поведінка зграї з шести роботів. PNAS, 2021

Колективна поведінка зграї з шести роботів. PNAS, 2021

Чим вчених зацікавили черви?

У своїй роботі інженери звернули увагу на каліфорнійських чорних червів(Lumbriculus variegatus), які зазвичай мешкають у болотах та невеличких водоймах та служать кормом для риб. Якщо до одного з L. variegatus торкнутися, то він намагатиметься врятуватися, гвинтоподібно плаваючи або перевертаючи своє тіло. Цікаво, що черви обирають спосіб «втечі» залежно від того, де до них торкнутися: якщо торкнутися спереду, то черв’як розвертатиметься, а дотик ззаду викличе спіральний рух. Ці черви досить швидко реагують на зовнішні подразники, а зокрема на світло: за допомогою фоторецепторів вони виявляють тіні, а з ними і рух.

Georgia Tech / YouTube

Втім, вони також полюбляють утворювати зграї, десятками і сотнями зплітаючися у вузли і формуючи «живі краплі», які можуть змінювати форму та організовано рухатися. У своєму дослідження вчені з’ясували, що така кооперація допомагає їм утримувати вологу: якщо одна особина здатна прожити без води близько години, то купа з тисячі червів залишається живою навіть по проходженню 10 годин.

Як вони співпрацюють?

Черв'якам потрібен певний діапазон температур, щоб вижити, і вони не люблять інтенсивне світло. Так коли кулю з червів розміщували на нагрітій пластині, вони повільно переміщувалися до більш холодної її частини, а під інтенсивним світлом черви намагалися сплутатися щільніше. Щоб дослідити таку колективну поведінку червів, дослідники спочатку витягли їх з води. Так спершу кожні черви окремо почали шукати вологу, однак коли їм це не вдалося, вони почали об’єднуватися у кулі, де різні особини по черзі переміщувалися ззовні-всередину. Так дослідники з’ясували, що рух такої конструкції розпочинає саме індивідуальна реакція червів на зовнішні умови, а зокрема на температуру та світло. Залежно від положення у клубку, окремі особини стикалися з різними подразниками, що розділило їх на дві ролі: ті, хто тягнули зграю до кращих умов, і ті, що підтримували форму та допомагали підняти скупчення, щоб зменшити тертя. Більш того, з тим, як краплі ставали більшими, тобто у яких спліталося більше за 300 особин, вони рухалися з меншою швидкістю порівняно з більш дрібними зграями, але рух стає більш послідовним та менш уривчастим.

Як навчити такої поведінки роботів?

Ці принципи колективної поведінки, які запускаються окремими найактивнішими особинами, дослідники спробували перенести на шість надрукованих на 3D-принтері роботів. Їх оснастили двома світловими сенсорами та «руками», якими вони можуть взаємодіяти з іншими. Залежно від інтесивності освітлення, роботи мають три режими роботи: за низької інтенсивності вони рухаються, хитаючись з боку б бік, за більшої вони можуть або тримати руки прямими, або дозволяти їм взаємодіяти з іншими, а за максимального освітлення, більше 800 люкс, роботи починають крастися, опускаючись та піднімаючись. Щоб роботи могли заплутуватися за прикладом червів, інженери наділили їх сіткою та штифтами для рук, форму і орієнтацію яких обрали таким чином, щоб роботи могли легко чіплятися один до одного, а також роз’єднуватися, щоб найбільш ефективно навчитися діяти разом. Так перший робот, тобто той, що знаходиться ближче до джерела світла, має рухатися поповзом, ті, що далі від світла, рухатимуться назад ворушінням, а роботи посередині триматимуть свої руки так, щоб об’єднати всіх в один механізм.

Зазвичай в робототехніці складні фізичні взаємодії між окремими роботами або спрощують, або ігнорують у теоретичних моделях, намагаючись контролювати їх централізовано. Однак, у своїй роботі вчені запропонували навпаки використати механіку колективних взаємодій, де кожен робот самостійно виконує свою роль, щоб загальний механізм став більш ефективним, спираючись на більш зручну для системи фізику.