Большинство людей воспринимают водную гладь как границу города. Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) видят в ней динамичную строительную площадку, похожую на конструктор Lego. Их новая система FloatForm представляет собой рой маленьких квадратных роботов-лодок, которые самостоятельно собираются в более крупные структуры на воде, разбираются и перестраиваются в новые формы — почти без участия человека.
Каждый робот размером примерно с тарелку (21 × 21 см) — это полностью автономное судно со своими двигателями, датчиками и магнитными замками. Вместе они открывают перспективу адаптивной плавучей инфраструктуры: временной платформы после чрезвычайной ситуации, рынка на канале или сцены, которая появляется на время фестиваля и исчезает, когда толпа расходится.
«Проект FloatForm представляет будущее, в котором набережная становится программируемым продолжением города. Автономные лодки могут самоорганизовываться в мосты, платформы и другие полезные конструкции по запросу», — говорит Даниэла Рус (Daniela Rus), профессор электротехники и информатики MIT и директор Лаборатории информатики и искусственного интеллекта (CSAIL).
Уроки муравьиного плота
Команда нашла вдохновение в биологии. Огненные муравьи во время наводнений сцепляются телами в живые плоты, причём у них нет главного «дирижёра». Каждый муравей следует простым локальным правилам — и в результате возникает устойчивая структура.
Большинство существующих систем самосборки роботов полагаются на центральный компьютер, который диктует каждое движение. Такой подход плохо масштабируется и создаёт единую точку отказа. FloatForm работает иначе: лёгкий центральный планировщик вмешивается лишь изредка, чтобы задать конечные позиции и обеспечить точную геометрию решётки. Всё остальное — движение к цели, избегание столкновений, адаптация к возмущениям — роботы делают сами, обмениваясь данными только с ближайшими соседями. Весь рой движется одновременно.
В экспериментах в MIT восемь роботов неоднократно собирались из случайных позиций в заданную форму, сцеплялись в жёсткую конструкцию, разъединялись по команде, перестраивались в новую конфигурацию и затем двигались по бассейну как единое судно. Каждый такой цикл занимал от четырёх до восьми минут. В режиме коллективного транспорта каждый робот становился «актуатором» общей конструкции. Симуляции показали, что подход хорошо масштабируется до 64 роботов.
Как устроен механизм сцепления
Роботы соединяются с помощью скрытого внутри корпуса механизма. Один сервопривод приводит в действие оригами-подобную ауксетическую структуру, которая одновременно сжимается или расширяется во всех направлениях. Постоянные магниты на четырёх сторонах либо втягиваются, чтобы отсоединиться, либо выдвигаются, чтобы схватить соседа на расстоянии 10–15 см. Магниты расположены с чередующейся полярностью, поэтому лодки надёжно складываются в правильные квадратные решётки.
Важное преимущество — низкое энергопотребление. 3D-печатный редуктор удерживает замок в нужном положении, когда мотор выключен. Энергия тратится только на сцепление и расцепление, а не на поддержание соединения. Для маленьких роботов с ограниченным аккумулятором это критично: сэкономленную энергию можно потратить на движение и вычисления.
Четыре миниатюрных двигателя, расположенных крест-накрест, дают роботу возможность двигаться в любом направлении, включая разворот на месте. Чтобы сделать управление устойчивым, инженеры добавили стабилизирующие плавники и тщательно настроили контроллеры.
От лабораторного бассейна к реальным каналам
В десяти испытаниях система успешно выполняла миссии без вмешательства человека в 90% случаев с четырьмя роботами и в 70% — с восемью. Даже если один робот временно терял ориентацию, он мог самостоятельно вернуться в строй, не останавливая весь рой.
Переход в открытую воду потребует усиления замков и замены лабораторной ультразвуковой системы позиционирования на GPS или компьютерное зрение. Однако алгоритм координации изначально сделан независимым от типа датчиков.
Возможные применения широки: временные платформы для осмотра и обслуживания морских объектов, адаптивные сенсорные сети для изучения мигрирующих видов, перестраиваемые причалы для экстренного реагирования, плавучие рынки, сцены и даже временные мосты, которые снимают нагрузку с городских дорог.
FloatForm вырос из более раннего проекта Roboat, в рамках которого полноразмерные автономные суда уже ходили по каналам Амстердама. Теперь исследователи показывают, что идея программируемой водной инфраструктуры может работать и на уровне роя маленьких модулей.
