Гарвардские ученые создали автономный рой 3D-печатных роборыбок BlueSwarm

Если вы когда-либо интересовались подводным миром, то знаете, что настоящие чемпионы по синхронному плаванию — не двуногие атлеты в купальниках, а рыбки, сбивающиеся в стаи. Косяки той же сельди зачастую состоят не из тысяч, и даже не из миллионов, и из миллиардов особей, при этом рыбки как-то умудряются координировать движения, выполняя групповые маневры с такой четкостью, что им позавидовала бы любая олимпийская команда. Сам механизм координации движений интересен, ведь у рыб нет какого-либо централизованного управления.

Механизм еще не изучен до конца, но ученые называют такое поведение «неявной координацией»: отдельные особи принимают решения, основываясь на поведении соседей. Например, одна рыбка, учуяв хищника или пищу, может отвернуть в сторону. Вслед за ней поворачивают и соседние рыбы, а дальше срабатывает эффект домино, и поворачивает уже вся стая. Эффект синхронизации движений без централизованного управления давно интересует робототехников, в том числе исследователей из Института биологически вдохновленной инженерии имени Висса и факультета инженерии и прикладных наук Гарвардского университета, взявшихся воспроизвести поведение рыбных стай.

«Роботы зачастую применяются в местах, недоступных или слишком опасных для человека, местах, где вмешательство человека может быть даже невозможно. В таких ситуациях очень выгодно иметь автономный, самодостаточный рой роботов. Используя неявные правила и технологии трехмерного визуального восприятия мы смогли создать подводную систему с высокой степенью автономности и операционной гибкости — для среды, где недоступны такие вещи, как спутниковая навигация и Wi-Fi», — рассказывает кандидат технических наук Флориан Берлингер, один из авторов проекта BlueSwarm.

Опыт создания роев у гарвардских ученых уже есть: ранее команда одной из лабораторий Института Висса под руководством профессора информатики Радхики Нагпал сконструировала самоорганизующийся рой под названием Kilobot (на иллюстрации выше и см. видео), состоящий из тысячи, точнее из 1024 роботов. Однако, этот рой функционировал в двух измерениях: роботы демонстрировали способность самостоятельно выстраиваться в геометрические фигуры на плоской рабочей поверхности. На этот же раз предстояло сконструировать рой, способный координировать движения в трехмерном подводном пространстве.

В новой системе роботы координируют движения, отслеживая положение других членов роя по светодиодным маркерам. Каждый робот оснащен тремя светодиодами и двумя камерами со сверхширокоугольными дисторсирующими объективами, в обиходе называемыми «рыбьими глазами», что в этом случае очень даже уместно. Остальное — вопрос специальных алгоритмов и мобильных платформ, изготовленных с помощью 3D-печати и имитирующих движения настоящих рыб за счет моторизированных хвостов и плавников под управлением микрокомпьютеров Raspberry Pi. В текущей версии рой способен рассеиваться, собираться обратно в стаю и выполнять простые скоординированные движения, например выстраиваться в круг. Взаимодействуют роботы примерно так же, как настоящие рыбки.

«Каждый Bluebot неявно реагирует на позицию своих соседей. Например, если мы хотим, чтобы роботы собрались в группу, каждый Bluebot будет вычислять положение каждого из своих соседей и двигаться к центру. Если мы хотим, чтобы роботы разошлись, они выполняют те же действия в обратном порядке. Если мы хотим, чтобы они плавали по кругу, как стая, роботы будут следовать за огнями прямо перед ними по часовой стрелке», — поясняет Флориан Берлингер.

Одна из наглядных демонстраций слаженной работы роя — поиск красной лампочки в аквариуме. Используя алгоритм рассеивания, рыбки распределяются по объему емкости, пока одна из них не засекает цель. После этого светодиоды на самой роборыбке начинают мигать, привлекая других рыбок, в свою очередь включающих алгоритм формирования и собирающихся в стаю вокруг удачливого сородича. Доклад научной команды опубликован в журнале Science Robotics по этой ссылке.

Рой BlueSwarm в действии:

Рой Kilobot:

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.