Что общего у косяка рыб, пчелосемьи и синхронного полёта сотен скворцов в стае? Они проявляют поведение, которое называется роением. Иными словами, движутся синхронно, как бы в составе жидкости, изменяющей форму. Специалисты из Чикаго решили взглянуть на явление через призму механики, чтобы применить принципы физики в робототехнике.
![Физики придумали робота со свойствами жидкости и твёрдого тела одновременно](/uploads/posts/2024-03/2024-03-11_132630.webp)
Способность роя менять форму подобно жидкости, двигаться согласованно без каких-либо сигналов от вожака и реагировать на окружающие условия вдохновила коллектив авторов на изобретение, которое они назвали Granulobot («Гранулобот»), то есть состоящий из небольших элементов. Представленный образец может разъединяться на части, собираться опять и перестраиваться для адаптации к окружающим условиям. И в зависимости от конфигурации может действовать как твёрдое тело либо текучая жидкость. Совокупность деталей «стирает различия между роботами разного типа — мягкими, модульными и роевыми», отметили изобретатели, описывая прототип в журнале Science Robotics («Научная робототехника»).
«Гранулированный робот» — это комплекс из цилиндрических деталей, похожих на шестерни с парой магнитов, вращающихся вокруг оси. Один магнит в каждом «бочонке» вращается свободно, а другой приводится в движение двигателем на батарейках. Конструкция даёт возможность элементам соединяться за счёт притяжения магнитов, а затем толкать соседние детали и заставлять их вращаться. Взаимодействие элементов запускает движение агрегата в целом.
![](/uploads/posts/2024-03/physicists-develop-a-m-1.webp)
На иллюстрации красные стрелки указывают направление вращения приводимых в действие магнитов. Синие — процесс перегруппировки. Отдельные блоки «Гранулобота» могут вращаться и с помощью магнита «слипаться» в более крупные блоки, которые умеют перекатываться. Оказывая крутящее влияние на соседей, отдельные узлы и группы узлов могут изменять их положение, то есть форму сборки. За счёт крутящего момента, превышающего магнитную связь между соседними блоками, они могут отделяться и самостоятельно формировать автономных, отдельных роботов.
Система, меняющая форму, способна забираться в укромные уголки и трещины. И то, и другое было бы полезно, например, при поисково-спасательных работах, объяснил Генрих Ягер, профессор физики Чикагского университета.
Чтобы робот умел изменять форму и выполнять различные функции, крайне важна его способность варьировать жёсткость и мягкость, как того потребует момент. Подобное происходит, когда частицы в неупорядоченной системе оказываются настолько близко друг к другу, что сталкиваются между собой, и их «текучесть» прекращается. Генрих Ягер сравнил это с вождением по шоссе: если столкнуться бампер к бамперу с другими автомобилями, то движение со скрежетом стопорится. Когда это происходит в материале из подвижных элементов, добавил Ягер, то наблюдается, по сути, тот же затор.
Ещё один пример — пачка молотого кофе в вакуумной упаковке. Если нарушить упаковку, то порошок может высыпаться. Такой принцип оказался настолько хорош, что эти же изобретатели использовали его ранее, в 2010 году, для конструкции мягкого роботизированного захвата (на фото ниже), который способен удерживать предметы независимо от их формы.
![](/uploads/posts/2024-03/snapedit_1710151990240.webp)
Цилиндры, из которых состоит «Гранулобот», больше, чем крупицы кофе, но принцип аналогичный. «Затор» из элементов — главное для того, чтобы «Гранулобот» мог переключиться от податливости к твёрдости конструкции.
Генрих Ягер пояснил, что на лежащие в основе «Гранулобота» физические принципы не влияют масштаб или температура. Поэтому варианты такого устройства могут быть разных размеров и служить, например, под водой или в открытом космосе.