Op basis van biologische cellen, onderzoekers van het MIT, Universiteit van Colombia, en elders hebben rekenkundig eenvoudige robots ontwikkeld die zich in grote groepen verbinden om te bewegen, objecten vervoeren, en andere taken uitvoeren.

Dit zogenaamde "deeltjesrobotica"-systeem - gebaseerd op een project van MIT, Colombia Techniek, Cornell universiteit, en onderzoekers van de universiteit van Harvard - omvat vele afzonderlijke schijfvormige eenheden die toepasselijk 'deeltjes' worden genoemd. De deeltjes zijn losjes verbonden door magneten rond hun omtrek. Elk deeltje kan maar twee dingen doen:uitzetten en inkrimpen. Maar die beweging wanneer zorgvuldig getimed, zorgt ervoor dat de afzonderlijke deeltjes elkaar in gecoördineerde beweging kunnen duwen en trekken. Dankzij ingebouwde sensoren kan het cluster naar lichtbronnen worden aangetrokken.

In een Natuur papier, de onderzoekers demonstreren een cluster van twee dozijn echte robotdeeltjes en een virtuele simulatie van maximaal 100, 000 deeltjes bewegen door obstakels in de richting van een gloeilamp. Ze laten ook zien dat een deeltjesrobot objecten in het midden kan vervoeren.

Deeltjesrobots kunnen zich in vele configuraties vormen en vloeiend om obstakels heen navigeren en door nauwe openingen knijpen. Opmerkelijk, geen van de deeltjes communiceert rechtstreeks met of is afhankelijk van elkaar om te functioneren, zodat deeltjes kunnen worden toegevoegd of afgetrokken zonder enige impact op de groep. In hun krant de onderzoekers laten zien dat deeltjesrobotsystemen taken kunnen voltooien, zelfs als veel eenheden niet goed werken.

De paper vertegenwoordigt een nieuwe manier van denken over robots, die traditioneel zijn ontworpen voor één doel, bestaan ​​uit veel complexe onderdelen, en stop met werken wanneer een onderdeel defect is. Robots die uit deze simplistische componenten bestaan, zeggen de onderzoekers, schaalbaarder zou kunnen maken, flexibel, en robuuste systemen.

"We hebben kleine robotcellen die als individu niet zo capabel zijn, maar als groep veel kunnen bereiken, " zegt Daniela Rus, directeur van het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) en de Andrew en Erna Viterbi Professor of Electrical Engineering and Computer Science. "De robot zelf is statisch, maar wanneer het verbinding maakt met andere robotdeeltjes, ineens kan het robotcollectief de wereld verkennen en complexere acties besturen. Met deze 'universele cellen, ' de robotdeeltjes kunnen verschillende vormen aannemen, wereldwijde transformatie, wereldwijde beweging, globaal gedrag, en, zoals we in onze experimenten hebben aangetoond, lichtgradiënten volgen. Dit is heel krachtig."

Deelnemen aan Rus op het papier zijn:eerste auteur Shuguang Li, een CSAIL-postdoc; co-eerste auteur Richa Batra en corresponderende auteur Hod Lipson, beide van Columbia Engineering; David Bruin, Hyun Dong Chang, en Nikhil Ranganathan van Cornell; en Chuck Hoberman van Harvard.

bij het MIT, Rus heeft gewerkt aan modulaire, al bijna 20 jaar verbonden robots, inclusief een uitdijende en samentrekkende kubusrobot die verbinding kan maken met anderen om te bewegen. Maar de vierkante vorm beperkte de groepsbewegingen en configuraties van de robots.

In samenwerking met het laboratorium van Lipson, waar Li een afgestudeerde student was tot hij in 2014 naar MIT kwam, de onderzoekers gingen voor schijfvormige mechanismen die om elkaar heen kunnen draaien. Ze kunnen ook met elkaar verbinden en loskoppelen, en vormen in vele configuraties.

Elke eenheid van een deeltjesrobot heeft een cilindrische basis, waarin zich een batterij bevindt, een kleine motor, sensoren die lichtintensiteit detecteren, een microcontroller, en een communicatiecomponent die signalen uitzendt en ontvangt. Bovenop is een kinderspeelgoed gemonteerd, een Hoberman Flight Ring genaamd - de uitvinder is een van de co-auteurs van het papier - dat bestaat uit kleine panelen die zijn verbonden in een cirkelvormige formatie die kan worden getrokken om uit te zetten en terug te duwen om samen te trekken. In elk paneel zijn twee kleine magneten geïnstalleerd.

De truc was om de robotdeeltjes te programmeren om uit te zetten en samen te trekken in een exacte volgorde om de hele groep naar een doellichtbron te duwen en te trekken. Om dit te doen, de onderzoekers rustten elk deeltje uit met een algoritme dat uitgezonden informatie over de lichtintensiteit van elk ander deeltje analyseert, zonder de noodzaak van directe communicatie tussen deeltjes.

De sensoren van een deeltje detecteren de intensiteit van het licht van een lichtbron; hoe dichter het deeltje bij de lichtbron is, hoe groter de intensiteit. Elk deeltje zendt constant een signaal uit dat zijn waargenomen intensiteitsniveau deelt met alle andere deeltjes. Stel dat een deeltjesrobotsysteem de lichtintensiteit meet op een schaal van niveaus 1 tot 10:deeltjes die het dichtst bij het licht zijn, registreren een niveau 10 en die die het verst zijn, registreren niveau 1. Het intensiteitsniveau, beurtelings, komt overeen met een bepaalde tijd dat het deeltje moet uitzetten. Deeltjes die de hoogste intensiteit ervaren - niveau 10 - breiden eerst uit. Als die deeltjes samentrekken, de volgende deeltjes in volgorde, niveau 9, dan uitbreiden. Die getimede uitzettende en samentrekkende beweging vindt plaats op elk volgend niveau.

"Dit creëert een mechanische expansie-contractiegolf, een gecoördineerde duw- en sleepbeweging, die een grote cluster naar of weg van omgevingsstimuli beweegt, " zegt Li. Het belangrijkste onderdeel, Li voegt toe, is de precieze timing van een gedeelde gesynchroniseerde klok tussen de deeltjes die beweging zo efficiënt mogelijk mogelijk maakt:"Als je de gesynchroniseerde klok verknoeit, het systeem zal minder efficiënt werken."

In video's, de onderzoekers demonstreren een deeltjesrobotsysteem dat bestaat uit echte deeltjes die bewegen en van richting veranderen in de richting van verschillende gloeilampen terwijl ze worden aangezet, en zich een weg baant door een kloof tussen obstakels. In hun krant laten de onderzoekers ook zien dat gesimuleerde clusters van maximaal 10, 000 deeltjes houden motoriek in stand, op de helft van hun snelheid, zelfs als tot 20 procent van de eenheden faalde.

"Het is een beetje zoals de spreekwoordelijke 'grijze smurrie, '" zegt Lipson, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, verwijzend naar het sciencefictionconcept van een zelfreplicerende robot die bestaat uit miljarden nanobots. "De belangrijkste nieuwigheid hier is dat je een nieuw soort robot hebt die geen gecentraliseerde controle heeft, geen enkel storingspunt, geen vaste vorm, en zijn componenten hebben geen unieke identiteit."

De volgende stap, Lipson voegt eraan toe, miniaturiseert de componenten om een ​​robot te maken die bestaat uit miljoenen microscopisch kleine deeltjes.