Некоторые создатели роботов стремятся к совершенству собственных электронных изобретений-организмов, другие же наоборот, стараются максимально приблизить последних к простейшим живым организмам.
Построенные в Стране восходящего солнца машины могут похвастать примитивным подобием сенсорной системы, мягким телом и умением целенаправленно передвигаться на манер слизевиков, вытягивая края своей «капли протоплазмы».
Робот Slimy – это исследовательский проект, родившийся на стыке инженерии и биологии. Его ведущий автор Такуя Умедати (Takuya Umedachi) из университета Хиросимы вдохновлялся удивительными способностями слизевика Physarum polycephalum, не раз становившегося предметом исследований.
В частности, более десятка лет назад профессор Тосиюки Накагаки (Toshiyuki Nakagaki) выяснил, что странное одноклеточное обладает неким примитивным подобием интеллекта, так как находит оптимальный путь из лабиринта к источнику пищи.
За эту работу в 2008 году Накагаки получил Игнобелевскую премию.
Более того, ещё через пару лет «под руководством» Тосиюки тот же миксомицет P. polycephalum успешно решил комбинаторную задачу и воспроизвёл карту токийской железной дороги.
Так смелый новатор (Накагаки, разумеется, а не слизевик), заработал свою вторую Шнобелевку (2010 года).
Эти забавные лишь на поверхностный взгляд работы биологов побудили Умедати детальнее разобраться со способностями миксомицетов и попробовать смоделировать их средствами робототехники. Примечательно, что в этом новом исследовании принял участие и Тосиюки Накагаки.
Основу робота Slimy составляет гибкий полимерный баллон, заполненный жидкостью и имитирующий плазмодий (многоядерное плодовое тело слизевика).
Внешняя «кожа» механического миксомицета составлена из набора «единиц контроля трения» (FCU), связанных между собой пружинками (RTS), в которые встроены датчики усилия и крошечные линейные электроприводы.
В донышке каждого модуля FCU имеется электромагнит, включая и выключая который, единица может закрепляться на плоскости, как якорь, или двигаться свободно.
Чередуя растягивание и освобождение пружинок с закреплением и отключением якорей, робот может двигаться в нужном ему направлении, примерно так же, как слизевик движется в сторону пищи – выбрасывая часть протоплазмы вперёд и далее подтягивая отстающую порцию.
При этом важным фактором становится неизменность массы протоплазмы (плазмодий вытягивается и сжимается, но сохраняет стабильным своё содержимое).
По информации Technology Review, главная цель Умедати и его соратников – не отработка нового вида передвижения, а изучение того, как миксомицеты ориентируются и движутся в верном направлении, не обладая даже намёком на нейронные сети или что-то подобное.
По словам учёных, в роботе-слизевике реализовано полностью децентрализованное управление с помощью связанных осцилляторов и исключительно местного сенсорного механизма обратной связи. Говоря проще, положение и «стремление» каждого фрагмента робота-плазмодия влияет на положение и на реакцию остальных.
И подобно тому как внутренние потоки в протоплазме слизевика, инициированные внешними химическими или световыми раздражителями, заставляют этот организм перемещаться к пище или прочь от опасности, крошка Slimy движется благодаря очень простым импульсам, которыми обмениваются его составные элементы.
Чуть позже Такуя создал и вторую модель амебоида — Slimy II.
Данные машины не способны послужить ничем большим, нежели «модельными организмами». Но авторы исследования считают, что такой путь отработки необычных алгоритмов и узлов для роботов – продуктивнее чистого компьютерного моделирования.
Пусть аппараты Slimy пока не столь умны, как тот же слизевик (хотя слово «ум» тут применимо с большой натяжкой), но у детищ Умедати есть простор для развития. Японцы хотят сделать их всё более похожими на миксомицетов, не внешне, но по свойствам.
Так динамическая подстройка формы должна помочь подобному устройству приспосабливаться к внешней среде, примерно так, как это делает миксомицет.
Эксперименты показывают, что робот-слизевик способен на адаптивное передвижение, не полагаясь на какую-либо иерархическую структуру, сообщают изобретатели. (Подробности этой работы опубликованы в новой статье в Advanced Robotics.)
Испытания аппаратов Slimy являются частью работы, которую Умедати ведёт вот уже несколько лет. Он пытается научить роботов воспроизводить на уровне железа поведение слизевиков, представляющее, вероятно, одну из самых примитивных форм познания.
Такое поведение, по мнению японца, поможет роботам приблизиться к животным в гибкости реакции и отточенности движений. Ведь далеко не только слизевики, но и куда более сложные организмы в этом отношении отчасти полагаются именно на децентрализованные системы.
Любопытно, что способности слизевиков уже привлекали внимание робототехников. Шесть лет назад группа учёных из Японии и Великобритании скрестила всё того же Physarum polycephalum с роботом, научив железяку бояться света.
Умедати же исповедует иной подход. Пусть у нас будут обычные датчики, батареи, электромоторы, но зато всё работает по принципу слизевика.
Понимание тонкостей в функционировании этого удивительного творения природы может пригодиться не только в робототехнике. Другое возможное применение этих знаний – поиск новых алгоритмов оптимизации транспортных систем или построения схем энергетических сетей, устойчивых к отказу отдельных узлов.
Ведь при побеге из лабиринта или поедании пищи, разбросанной на плоскости, слизевики не вычисляют все возможные варианты действий, но получают результат даже лучший, чем если бы задачу оптимизации путей движения решал компьютер. Таким свойством слизевиков наделили миллионы лет эволюции. Разобраться в нём и попробовать скопировать – достойный вызов для междисциплинарной команды исследователей.
