Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка . Подписчиков 12.980 RSS
←   Февраль 2014   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.980 подписчиков
+2 за неделю
←   Все выпуски   →

Как роботы прикинулись термитами и построили дом


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Как роботы прикинулись термитами и построили дом

19.02.2014

Три робота строят замок из <<кирпичей>>

Три робота строят замок из <<кирпичей>>. Эта троица без всякого централизованного руководства способна построить самые замысловатые сооружения. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Наблюдения за сооружением монументальных термитников вдохновили ученых на создание специальных роботов-строителей. Эти роботы, подобно термитам, были лишены централизованного управления и руководствовались при этом простыми правилами поведения, актуальными <<здесь и сейчас>>. Роботы воспринимали присутствие других роботов и положение стопок строительных кирпичей и, умея манипулировать кирпичами, возводили требуемые постройки. Так ученые показали, что сложные задачи возможно выполнить с помощью автономно действующих едини ц, которые ориентируются в местной обстановке и снабжены одинаковыми простейшими правилами поведения.

Трое специалистов из Института Вайса Гарвардского университета сконструировали роботов, которые предназначались для строительства. Правда эти роботы больше напоминали игрушки, и должны были не столько возводить настоящие высотки, сколько показать возможности альтернативных систем управления.

Так выглядит робот-строитель

Так выглядит робот-строитель. Его параметры 17*X11*X12 см, вес 800 г, детали выполнены на 3D-принтере. Вид сбоку: 1 -- трехлучевые колеса, удобные для преодоления препятствий и для шагания по ступенькам вверх и вниз; 2 -- хваталки кирпичей, которые поднимают кирпич из общей стопки и сгружают его на место; 3 -- держалки для кирпичей; 4, 5 -- инфракрасные сенсоры, распознают черное и белое, оценивают расстояние вверх и вниз; 6 -- ультразвуковые сенсоры (эта система подсмотрена конструкто рами у летучих мышей, а не у термитов). Три автономных моторчика приводят конструкцию в движение, заряда хватает на час-полтора. <<Кирпич>> размером 21,5*X21,5*X4,5 см и весом 200 г сделан из пенополиуретана с 16 неодимовыми магнитами по всем граням (8); форма приспособлена для хваталок робота (7, 9-11). Схема из дополнительных материалов к обсуждаемой статье

Эти миниатюрные роботы умели складывать строения из специальных кирпичиков, но их действия сильно отличались от работы всех предыдущих моделей. Представим себе процесс возведения дома. Сначала архитектор делает чертеж, потом нанимаются рабочие, к ним приставляется знающий прораб, который способен прочесть чертеж и руководить рабочими. Потом строительство начинается, рабочие в соответствии со своими навыками выполняют последовательные операции, прораб пытается оптимизировать процесс. Прочность и удобство здания зависи от талантов архитектора и опыта и совести прораба и исполнителей.

Но есть и другой способ что-то построить. Его реализуют общественные насекомые, например термиты. У них нет изначального плана, представленного главным термитом-архитектором, у них нет централизованного управления в лице прораба. Есть только отдельные насекомые, которые выполняют простые строительные операции. Они руководствуются не приказами начальника, а простыми правилами поведения, соответствующими ситуации <<здесь и сейчас>>. Их действия полностью зависят от текущей обстановки, от того, какие операции выполняли их соб ратья на предыдущем этапе. Такой принцип координации действий называется стигмергическим (см. Stigmergy). В результате у термитов получаются сооружения не менее величественные, чем человеческие небоскребы. Они создают их, несмотря на отсутствие продуманного плана и централизованного управления.

Термитники в пустыне напоминают города. Разные колонии термитов имеют свой <<архитектурный стиль>>, который передается генетически

Термитники в пустыне напоминают города. Разные колонии термитов имеют свой «архитектурный стиль», который передается генетически (см.: N. Mizumoto, K. Matsuura, 2013. Colony-specific architecture of shelter tubes by termites); постройки очень крепкие, превосходно вентилируются, внутри поддерживается нужный терморежим. Фото с сайта www.outdoors.ru

Гарвардские конструкторы решили реализовать для своих роботов <<термитный>> способ строительства. Они лишили роботов централизованного управления от имени <<Главного Компьютера>>, а вместо этого задали им набор простых правил поведения. Эти правила диктовались исходя из текущей обстановки: присутствия других роботов, расположения уже уложенных кирпичиков. Также у этих роботов имелись жестко закрепленные, <<инстинктивные>>, навыки и правила. Они могли брать, поднимать и опускать кирпичи, ползти вперед и назад, поворачивать и поворачи аться вокруг своей оси, залезать на одну ступеньку вверх и спускаться на одну ступеньку вниз. Двигались они только по часовой стрелке, чтобы не создавать <<пробки>> на дороге. Также им не разрешалось класть кирпичик, если справа и слева уже лежит по кирпичику: это правило было задано, чтобы не ограничивать маневренность робота, так как в этом случае робот не мог развернуться. Положить кирпич наверх можно только в том случае, если рядом есть ступенька; в противном случае робот не сможет слезть с башни. Смогут ли роботы, снабженные эти и правилами, построить дом?

Действия, которые запрещены роботам

Действия, которые запрещены роботам. A — если имеется промежуток, шириной в кирпич, то туда кирпич нельзя вставлять; в противном случае робот может застрять. B — пристраивать кирпичи предпочтительно справа и слева от уже положенного первого кирпича (серый); в результате получаются линии. C — такого цикла получиться не может, так как в этом случае роботу придется вставлять кирпич в промежуток между двумя соседними. D — такие высокие коридоры робот строить не может, так как за стрянет на повороте. Схема из дополнительных материалов к обсуждаемой статье

Трем отлаженным роботам дали старт, и они принялись строить (процесс снят здесь). Роботы-строители ползали на своих трехлучевых ходилках, обходя аккуратно друг дружку, копошились вокруг стройки с кирпичами и без, взбирались по ступенькам и аккуратно спускались вниз, укладывали кирпичи в порядке, понятном только им, -- и вот готова пирамида Чичен-Ица... а вот Эмпайр-стейт-билдинг.

Последовательные стадии строительства модели Эмпайр-стейт-билдинг

Последовательные стадии строительства модели Эмпайр-стейт-билдинг. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Нужно подчеркнуть особо, что, в отличие от термитов, конструкторы задали своим роботам требуемый конечный результат. Он реализовывался набором координат в пространстве, которые должны быть заполнены кирпичами. (Правду сказать, нам неизвестно, имеется ли у термитов представление о конечном результате.) Если его не задавать, то у роботов получается ветвящаяся конструкция, этакий лабиринт расходящихся тропок... Его устройство зависит целиком от набора правил и запретов и от текущей обстановки (где и что уже построено). Авторы отмечаю т, что такими принципами человек руководствуется при сооружении городов. Так или иначе, роботы обошлись без прораба, который бы указывал, кому и куда двигаться и кому и куда укладывать кирпич. Они справились с задачей, а требуемую конструкцию выстраивали каждый раз новым способом.

Такая система, как указывают ее создатели, проста: каждому роботу задан небольшой набор одинаковых правил поведения. Она обладает необходимой ситуационной гибкостью, а конечный результат всегда так или иначе достигается. Важно, что система при этом лишена всех недостатков централизованного управления, когда приходится анализировать слишком большой объем информации и находить оптимальное решение одновременно для всех действующих элементов. Такая система автономно действующих роботов открывает превосходную возможность для стр ительства объектов в труднодоступных районах или опасных ситуациях. Для ее реализации придется, правда, решить много технических задач, но всё же. Кроме того, есть над чем поразмыслить теоретикам-философам: здесь и принципы централизованного и децентрализованного управления, и непредсказуемость суммы простых правил в сложных системах...

Источник: Justin Werfel, Kirstin Petersen, Radhika Nagpal. Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction Team // Science. 2014. V. 343. P. 754-758.

Елена Наймарк

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

18.02 Найден ген, превращающий простые листья в сложные

Изучение мутантных растений, у которых вместо сложных листьев формируются простые, позволило генетикам из Великобритании, Германии и США частично расшифровать генетические основы эволюции формы листа. Ученым удалось превратить простые листья резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) в более сложные, добавив в геном ген RCO сердечника шершавого (Cardamine hirsuta). Это важный успех в понимании деталей эволюции такого сложного эволюционного признака.

17.02 <<Национальная поджигательная установка>> резко повысила эффективность термоядерного синтеза

Американский проект NIF по изучению инерциального управляемого термоядерного синтеза преодолел важный рубеж. В двух сеансах работы энергетический выход термоядерной реакции в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом оказался больше, чем подведенная к топливу энергия. Также был впервые зарегистрирован сильный самостоятельный разогрев топлива за счет альфа-частиц. И хотя главная цель NIF -- зажигание полноценной самоподдерживающейся термоядерной реакции -- пока не достигнута, эти результаты вселяют оптимизм.

12.02 Паразиты регулируют разнообразие

На тропической станции в Центральной Америке продолжаются натурные экологические эксперименты по изучению феномена биоразнообразия в условиях естественного комплекса факторов. Результаты нового эксперимента позволяют оценить влияние фитопаразитов на разнообразие тропической флоры. Как выяснилось, они повышают растительное разнообразие, уничтожая в основном массовые виды и давая возможность вырасти редким видам. Таким образом осуществляется плотностная регуляция численности массовых видов.

11.02 В бозе-конденсате реализован синтетический магнитный монополь

Эксперименты с атомными бозе-конденсатами позволяют реализовывать и изучать очень необычные квантовые эффекты. В них даже можно создавать синтетическое магнитное поле -- некоторую величину, которая не имеет прямого отношения к магнетизму, но описывается теми же уравнениями, что и магнитное поле. В рамках этого искусственного магнетизма исследователям удалось реализовать синтетический магнитный монополь -- коллективный объект, аналога которого в настоящем магнетизме пока не открыто.

10.02 Простая система межклеточной коммуникации обеспечивает разнообразное коллективное поведение

Эксперименты на генетически модифицированных дрожжах показали, что разнообразные формы коллективного поведения клеток могут порождаться простой системой межклеточной коммуникации, основанной на том, что одни и те же клетки и производят химический сигнал, и реагируют на него. Полученные результаты проливают свет на столь разные биологические явления, как <<чувство кворума>> у микробов и избирательное размножение Т-лимфоцитов в ходе иммунного ответа.

07.02 Новости из Солнечной cистемы: гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Вблизи южного полюса спутника Юпитера Европы обнаружены выбросы водяного пара, усиливающиеся или ослабевающие в зависимости от ее положения на орбите. Они свидетельствуют о трещинах в ледяной коре, которые периодически открываются под действием приливных сил, позволяя воде из подледного океана испаряться и выходить наружу. Выбросы водяного пара обнаружены и на Церере, самом большом теле главного пояса астероидов, но там они, вероятно, связаны с испарением поверхностного льда из-за солнечного нагрева.

05.02 Гены рабочей касты у пчел отбирались эффективнее, чем гены королев

Новое исследование становления эусоциальности у пчел построено на сравнении генов, работающих по-разному в двух пчелиных кастах. Выяснилось, что гены, которые экспрессируются больше у рабочей касты, прошли сильный положительный отбор, а интенсивность отбора у них даже выше, чем у активных генов королев. Получается, что рабочие пчелы не менее важны для отбора. Гипотеза родственного отбора, таким образом, получает еще одно мощное подтверждение.

04.02 В эксперименте ASACUSA заработала линия по производству антиводорода

Одна из групп, изучающих в ЦЕРНе свойства антиматерии, -- ASACUSA -- сообщает о том, что после десятилетия разработок и технических приготовлений их установка начала производить антиводород. Главная цель этого эксперимента -- измерить величину сверхтонкого расщепления в антиводороде, сравнить результат с водородом и тем самым попытаться обнаружить различие между их энергетическими уровнями. В случае положительного результата это будет иметь радикальные последствия для современной физики микромира.

03.02 Между сапиенсами и неандертальцами существовала частичная репродуктивная изоляция

Американские и германские палеогенетики выяснили, что частота встречаемости неандертальских аллелей в хромосомах 1004 современных людей с разных континентов понижена в функционально важных участках генома и в Х-хромосоме, а также в генах, работающих в семенниках. Это означает, что многие неандертальские гены, попавшие в генофонд сапиенсов в результате гибридизации, оказались вредными для наших предков и постепенно отбраковывались отбором в последующие эпохи.
В избранное