Пчелы, муравьи и термиты обходятся без чертежей. У них есть матки, но ни один из этих видов не выращивает архитекторов или прорабов. Каждая рабочая особь просто реагирует на сигналы — тепло, наличие или отсутствие строительного материала. В отличие от человеческого производства, сложная конструкция возникает сама собой, просто потому что множество мелких действий складываются в единое целое. Никто не руководит процессом.

Теперь инженеры из Пенсильванского университета разработали математические правила, по которым виртуальный рой крошечных роботов может делать то же самое. В компьютерных симуляциях машины строили структуры, похожие на пчелиные соты, не имея ни плана, ни даже возможности его понять.

Мы только в начале пути, но это новая стратегия, которая может изменить сам подход к производству, — говорит Джордан Рейни, соавтор исследования, опубликованного в Science Advances. — Даже 3D-принтеры работают пошагово, и если что-то пойдет не так — например, засорится сопло — весь процесс придется начинать заново.

Их метод может оказаться надежнее — улей не перестает строиться из-за одной ошибки — и гибче, позволяя создавать сложные конструкции прямо на месте, а не на фабрике.

Мы лишь прикоснулись к поверхности, — говорит Рейни. — Мы привыкли, что инструменты следуют инструкциям. А здесь вопрос в другом: как порядок возникает сам по себе?

Как строить без плана

От каменных топоров до космических станций люди всегда действовали по схеме: придумать, спроектировать, собрать.

Даже 3D-печать работает так же, разбивая модель на тысячи команд.

Наш подход ломает эту логику, — объясняет Марк Йим, второй соавтор работы. — Никаких скриптов, никакого централизованного управления. Каждый робот реагирует только на то, что происходит вокруг.

Поскольку ни одна машина не понимает общий замысел, стройка продолжается, даже если часть роботов выйдет из строя.

А так как все работают одновременно, а не по очереди, процесс может быть быстрее и устойчивее к сбоям.

Поведение вместо чертежей

Ученые не копировали поведение насекомых.

Они взяли главный принцип: простые действия, повторенные множество раз, создают сложный результат.

Нам нужна была система, где структура возникает из поведения, — говорит Рейни. — Не потому что роботы знают, что строят, а потому что следуют правильным локальным правилам.

Локальные правила — простые алгоритмы, по которым каждый робот реагирует только на ближайшее окружение (например, «если встретил препятствие — поверни на 30° влево»). Из миллионов таких действий возникает сложная структура.

Сложность была в том, чтобы найти эти правила.

Робота можно запрограммировать миллионом способов, — говорит Йим. — Нам нужно было что-то простое, но эффективное.

Какие правила работают

В итоге сосредоточились на нескольких вопросах:

• Что делать роботу, если он натыкается на деталь, оставленную другим?
• Куда повернуть — налево или направо, и на какой угол?
• Как далеко двигаться перед остановкой?

После сотен симуляций выяснилось: чем больше хаоса в системе, тем разнообразнее итоговая конструкция.

Мы нашли рычаг, который меняет геометрию, а значит, и прочность материала, — говорит Рейни.

От симуляции к реальности

Пока рой роботов существует только в модели. Следующий шаг — адаптировать ее под реальные условия.

Сначала мы представляли, что роботы откладывают материал линиями, как микро-3D-принтеры, — говорит Йим. — Но, возможно, лучше использовать электрохимию, чтобы они выращивали структуры вокруг себя.

Главное — сам принцип.

Природа не начинает с плана, — говорит Рейни. — Она начинает с малого, а получается нечто большое. Теперь мы учимся делать так же.

Польза исследования

• Гибкое производство — можно строить сложные объекты прямо на месте, без заводских линий.
• Устойчивость к ошибкам — если несколько роботов сломаются, процесс не остановится.
• Новые материалы — управляя «степенью хаоса», можно создавать структуры с уникальными свойствами (например, сверхпрочные решетки).

Однако пока все работает только в симуляции. В реальности роботам понадобятся:

• точные сенсоры для ориентации в пространстве,
• миниатюрные механизмы для манипуляции материалами,
• энергоэффективные двигатели.

Без этого идея останется красивой теорией.

Ранее ученые сообщили, что стая рыб решает задачи, которые не под силу роботам.