Новый алгоритм позволяет создать недорогой «умный песок», способный принять любую форму

Алгоритм, предложенный в Массачусетском технологическом институте, может сделать доступными любые количества «умного песка», который способен принять нужную форму, позволяя быстро создавать орудия или менять требующие ремонта части любой машины. По сути, речь идёт о роботе, состоящем из множества автономных переконфигурируемых элементов.

Алгоритм, предложенный в Массачусетском технологическом институте (США), может сделать доступными любые количества «умного песка», способного принять любую форму, позволяя быстро создавать новые орудия или менять требующие ремонта части любой машины. По сути, речь идёт о роботе, состоящем из множества автономных переконфигурируемых элементов, эдаком «песочном человеке» Брэдбери.
В МТИ разработали алгоритм создания «умного песка» и уже испытывают его прототипы. Хотя эти «умные камешки» гораздо больше планируемого «умного песка» (кубики стороной в 1 см), сама технология выглядит чрезвычайно многообещающе.
В отличие от обычных подходов к переконструируемым роботам, «умный песок» использует субтрактивный метод создания новых предметов из единого целого, а не технику составления предмета из модульных компонентов, как в LEGO. Куча «робопеска» будет аналогом камня, из которого скульптор высекает статую. Отдельные «песчинки» при получении задания на формирование нового объекта будут посылать сообщения пограничным с ним «песчинкам», а те — передавать его дальше, пока целеуказание не обойдёт всех. После этого они выборочно будут прикрепляться один к другому, чтобы сформировать трёхмерный объект. При этом «песчинки», не нужные для формируемого предмета, просто «отвалятся» и останутся тихонько лежать в стороне, покуда не понадобятся для чего-то другого. После того как необходимость в сформированном объекте пройдёт — внимание, фанфары! — частицы «умного песка» просто развалятся обратно в кучу и станут ждать своего часа.

Сами кубики сделаны в виде складывающейся микросхемы с выполненными на них же электропостоянными магнитами. (Здесь и ниже фото M. Scott Brauer/МТИ.)

Разработчики — Даниэла Рус, профессор информатики и машиностроения МТИ, и её студентка Кайл Джилпин — отмечают, что главной сложностью было организовать взаимодействие «песчинок». Ведь они должны обладать предельно низкими параметрами процессора и памяти, иначе конечный продукт не будет дешёвым. «Песчинки» не хранят трёхмерную карту своего взаиморасположения: это отнимало бы ресурсы, да и после каждой пересборки «карту» пришлось бы обновлять.
Чтобы прикрепляться друг к другу, «общаться» и делить между собой энергию, микрокомпоненты системы используют электропостоянные магниты на четырёх сторонах каждого кубика. При подаче на них тока они включают и отключают магнитное поле.
Каждый из кубиков содержит в себе простейший микропроцессор, не требующий охлаждения, и электропостоянные магниты на четырёх из шести его граней. Алгоритм сборки при этом потрясающе прост: «песчинки», в центр которых вложили модель для копирования, сначала посылают друг дружке сообщение, чтобы узнать, у кого из них нет соседей (в двумерной модели возможное количество соседей равно восьми). Кубики, у которых не хватает соседей, могут быть только в двух местах: по периметру кучи или на периметре предмета, форму которого они должны принять. Как только «опрос» произведён, все частички, находящиеся вне периметра предмета-модели, отключаются. Если дублируемый предмет в десять раз больше кубика, у него остаётся (в двумерной модели) десять кубиков. Конечно, для трёхмерных моделей это гораздо сложнее.
Ключевую роль здесь играли электропостоянные магниты: в отличие от обычных постоянных, они могут отключаться, когда надо поменять форму, а в отличие от электромагнитов — не требуют постоянного расхода энергии: им нужны лишь импульсы при сборке и разборке. Их магнитные импульсы, где отсутствие магнитного поля — «0», а его наличие — «1», служат также для передачи информации при формировании предмета. Магнитным же полем передаётся и энергия между базисными модулями (кубиками).
Каждый из кубиков имеет процессор, способный накапливать до 32 кб кода, при этом его рабочая память — всего 2 кб. Сейчас у магнитных кубиков занято лишь четыре стороны, однако в дальнейшем магнитными станут все грани. Перенос модели на трёхмерные объекты прост: каждый такой объект будет рассматриваться кубиками как множество двумерных слоёв.

Размер ребра кубика сейчас всего 10 мм, однако исследователи намерены дойти до наномасштабов.
Соединяясь в определённой последовательности с помощью магнитов, модули могли складываться в разные фигуры. Для простоты изготовления инженеры решили на данном этапе использовать только плоские фигуры, хотя разработанный алгоритм позволяет взаимодействовать и в трёхмерном пространстве.

Нет нужды говорить, что пока такого рода «нанопесок» можно применять лишь для ремонта повреждённой поверхности — скажем, износившейся шины или слоя штукатурки; при этом пока трудно говорит об универсальности, так как адгезия и свойства поверхностей для столь разных объектов должны быть разными. Опять же понятно, что пока исследователи в самом начале пути. Но ясен и огромный потенциал идеи, связанный прежде всего с простой — а значит, и потенциально низкой ценой базисных модулей.
Подготовлено по материалам MIT News.

источник: science.compulenta.ru