Robotski kolektiv kao pametni materijal

Istraživači na američkom sveučilištu UC Santa Barbara i njihovi kolege s njemačkog sveučilišta TU Dresden brišu granice između robotike i materijala, s dokazom koncepta nalik materijalnom kolektivu robota s ponašanjem inspiriranim biologijom.
"Pronašli smo način na koji će se roboti ponašati više kao materijal", rekao je Matthew Devlin, glavni autor rada objavljenog u časopisu Science. Sastavljeni od individualnih autonomnih robota u obliku diska koji izgledaju poput malih hokejaških pakova, članovi kolektiva programirani su da se sastavljaju u različite oblike s različitim svojstvima materijala.

Od posebnog interesa za istraživački tim bio je izazov stvaranja robotskog materijala koji bi mogao biti i krut i jak, a opet teći kada je potreban novi oblik. "Umjesto da reagiraju na vanjske sile kako bi postigli oblik, robotski materijali idealno bi reagirali na unutarnje signale, bili sposobni uzeti oblik i zadržati ga, ali također sposobni selektivno teći u novi oblik", rekao je profesor strojarstva s UCSB-a Elliot Hawkes.

Za inspiraciju, istraživači su iskoristili prethodni rad Otgera Campàsa, bivšeg profesora na UCSB-u i trenutačno direktora klastera Physics of Life Excellence na TU Dresden, o tome kako se embriji fizički oblikuju.

"Živa embrionalna tkiva su vrhunski pametni materijali", rekao je. "Ona imaju sposobnost samooblikovanja, samoiscjeljivanja i čak kontrole svoje materijalne snage u prostoru i vremenu."

Dok je bio na UCSB-u, njegov je laboratorij otkrio da se embriji mogu topiti poput stakla da bi se sami oblikovali. "Da bi se oblikovale, stanice u embrijima mogu natjerati tkiva da se prebacuju između tekućeg i čvrstog stanja, fenomen poznat kao prijelazi krutosti u fizici", dodao je. 

Tijekom razvoja embrija, stanice imaju nevjerojatnu sposobnost rasporediti se jedna oko druge, pretvarajući organizam iz mrlje nediferenciranih stanica u skup diskretnih oblika, poput šaka i stopala, i različite konzistencije, poput kostiju i mozga. 

Istraživači su se usredotočili na omogućavanje tri biološka procesa iza tih prijelaza krutosti: aktivne sile koje razvijaju stanice primjenjuju se jedna na drugu što im omogućuje da se kreću jedna oko druge; biokemijsku signalizaciju koja omogućuje tim stanicama da koordiniraju svoje pokrete u prostoru i vremenu; i njihovu sposobnost međusobnog prianjanja, što u konačnici daje krutost konačnog oblika organizma.

U svijetu robota, unutarstanične sile pretvaraju se u tangencijalnu silu između jedinica, koju omogućuje osam motoriziranih zupčanika duž kružne vanjske strane svakog robota, što im omogućuje da se kreću jedan oko drugoga, gurajući jedan drugoga, čak i u tijesno zbijenim prostorima.

S druge strane, biokemijska signalizacija je slična globalnom koordinatnom sustavu. "Svaka stanica 'zna' svoju glavu i rep, pa onda zna na koji način treba stisnuti i primijeniti sile", objasnio je Hawkes. Na taj način skup stanica uspijeva promijeniti oblik tkiva, kao na primjer kada se poredaju jedna uz drugu i produžuju tijelo.

Kod robota, ovo postižu svjetlosni senzori na vrhu svakog robota, s polariziranim filterima. Kada se svjetlo obasja na ove senzore, polarizacija svjetla im govori u kojem smjeru da okreću svoje zupčanike i time kako promijeniti oblik. "Možete im jednostavno reći svima odjednom pod stalnim svjetlosnim poljem u kojem smjeru želite da idu, i svi se mogu poredati i raditi što god trebaju", dodao je Devlin.

Za staničnu adheziju istraživači su koristili magnete ugrađene u perimetar robotskih jedinica, koji su se mogli okrenuti da privuku bilo kojeg drugog robota. 

Istraživači su otkrili da fluktuacije signala, varijacije u signalima koji se šalju robotima, igraju ključnu ulogu u njihovoj sposobnosti da zauzmu potrebne oblike i formacije.

U robotskom kolektivu, interakcija između fluktuacija signala i sila između jedinica, razlika je između tijesno zbijenog, nepomičnog kolektiva i fluidnijeg kolektiva. "U osnovi, kako povećavate oboje, posebno fluktuacije, dobivate tečniji materijal", rekao je Devlin. "Ovo omogućuje kolektivu da promijeni oblik. Jednom kada je u formaciji, isključivanje fluktuacija sile ponovno ukrućuje kolektiv."

Važno je da ove fluktuacije signala omogućuju kolektivu robota da postigne promjene svog oblika i snage s manjom prosječnom snagom nego da je signal stalno uključen i da se svi roboti neprekidno guraju jedan drugoga. "To je zanimljiv rezultat koji nismo krenuli tražiti, ali smo ga otkrili nakon što smo počeli prikupljati podatke o ponašanju robota", rekao je Hawkes.

Ovo je važno, dodao je, za dizajniranje robota koji će možda morati raditi s ograničenim budžetom energije.
Imajući sve ovo na umu, istraživači su mogli podesiti i kontrolirati skupinu robota  da se ponašaju poput pametnog materijala: dijelovi grupe uključili bi dinamičke sile između  robota i fluidizirali kolektiv, dok bi se u drugim dijelovima roboti jednostavno držali jedni za druge kako bi stvorili kruti materijal.

Moduliranje ovih ponašanja u skupini  robota tijekom vremena omogućilo je istraživačima da stvore robotske materijale koji podnose teška opterećenja, ali također mogu preoblikovati, manipulirati objektima, pa čak ih i samozacjeljivati.

Trenutačno, kolektiv robota za dokaz koncepta sastoji se od malog broja (20) relativno velikih jedinica, ali simulacije koje je proveo bivši postdoktorski suradnik Sangwoo Kim iz Campàs laboratorija, koji je sada docent na EPFL-u, pokazuju da se sustav može skalirati na veći broj minijaturiziranih jedinica, za aspekt koji je više sličan materijalima. 

Osim robotike, robotski kolektivi poput ovog mogli bi omogućiti proučavanje faznih prijelaza u aktivnoj tvari, svojstva aktivne mehanike u sustavima čestica i potencijalno pomoći u definiranju hipoteza za biološka istraživanja. 

U kombinaciji s trenutnim kontrolama i strategijama strojnog učenja, rad s tim robotskim kolektivima mogao bi dati nove sposobnosti u robotskim materijalima koje tek treba otkriti i razumjeti.