• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26 июня
ПНИПУ
2
5 183

Ученые Пермского Политеха выяснили, что большие скопления роботов группируются подобно стаям пингвинов

4.5

Выживание организмов в природе зависит от их способности адаптироваться к изменениям окружающей среды. Например, некоторые водоросли двигаются к источнику света для фотосинтеза. Бактерии перемещаются к более концентрированным участкам с химическими веществами, чтобы находить питание. Еще один пример такого поведения — биоконвекция — процесс самоорганизации, при котором организмы распределяют тепло равномерно по всему сообществу. Подобное явление наблюдается у пингвинов — они собираются в плотную стаю и перемещаются так, чтобы каждый успел согреться, побывав в самом теплом участке. Ученые ПНИПУ смоделировали такой эффект в группе роботов, каждый из которых выделяет тепло и движется в точку поля с наибольшей температурой. Выяснилось, что они способны циркулировать в пространстве подобно живым организмам.

Ученые Пермского Политеха выяснили, что большие скопления роботов группируются подобно стаям пингвинов / © Martin Wettstein, unsplash.com

Результаты могут применяться для микро- и нанороботов в медицинских или биотехнологических разработках, чтобы бороться с онкологическими заболеваниями, транспортировать лекарства по кровеносной системе или поддерживать функции отдельных органов. При этом тепло можно заменить любым другим способом коммуникации между роботами.

Исследование опубликовано в журнале Fluid Dynamics & Materials Processing. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования России. Активная среда – это совокупность элементов, которые самостоятельно перемещаются и взаимодействуют друг с другом. Изучение таких систем позволяет понять процессы объединения единиц в биологические структуры. Это называется самосборкой.

Подобное происходит и среди высших животных. Например, императорские пингвины на зимовке демонстрируют коллективные действия, основанные на простых физических принципах. Когда погода ухудшается, животные переходят к плотной стае, состоящей из сотен и тысяч особей. Внутри такой толпы температура достаточна для выживания.

Уже доказано, что в этой среде наблюдается не только самосборка птиц, но и фазовые переходы первого и второго порядка. Первый – это когда из одного агрегатного состояния среда переходит в другое. То есть, плотность нахождения пингвинов характеризует какое-то состояние – если они расположены на расстоянии, то это напоминает газ, если плотно, то жидкость. Переход второго рода заключается в изменении порядка в системе, то есть в проявлении самоорганизации.

Искусственный объект, например, робот, действующий по определенному простому алгоритму, тоже может быть элементом активной среды. Нескольких самоорганизующихся роботов, действующих сообща за счет алгоритмов, называют роем. Он является важным элементом различных технических систем, среди которых управление бактериальными киборгами в биомедицинских приложениях, технологии создания новых метаматериалов с внутренней структурой и другие.

«С помощью математического моделирования мы рассмотрели возможность возникновения коллективных вихревых движений у самодвижущихся роботов и доказали, что это вполне реализуемый сценарий. Разработали модель явления и программную реализацию алгоритма, которая заставляет ботов искать максимум температурного поля. Кроме того, создали модель сплошной среды для подтверждения численных результатов. Так можно наблюдать внезапную циркуляцию роботов от края группы к ее центру и обратно, что напоминает классическую тепловую конвекцию (течение, которое образуется при нагреве снизу и охлаждении сверху).

Мы обнаружили, что с увеличением числа особей рой демонстрирует все более сложные модели циркуляции», – объясняет аспирант кафедры прикладной физики ПНИПУ Кирилл Костарев. В рамках математической модели ученые ПНИПУ предположили, что каждый робот является источником тепла, оснащен датчиками температуры и, следуя простой программе, движется в направлении градиента глобального температурного поля. Политехники стремились доказать, что законы поведения сложных систем одинаковы для элементов разной природы – как для живых, так и для созданных человеком.

«Мы рассмотрели свойства сформировавшегося роя из мелких роботов в заданных границах. Результаты анализа математической модели показали, что с увеличением их количества в рое проявляется самоорганизация. Выяснилось, что аналоги тепловой конвекции возникают в различных активных средах, когда элементы системы имеют внутренние источники энергии и способны двигаться за их счет. В эту категорию попадают как стайные живые организмы, так и коллективы из роботов с вибромоторами», – рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой прикладной физики ПНИПУ Дмитрий Брацун.

Открытие носит фундаментальное значение, поскольку демонстрирует силу и универсальность физических принципов, которые лежат в основе науки синергетики. Исследование ученых ПНИПУ доказывает, что живые и неживые системы имеют много общего. Группы роботов способны самоорганизовываться подобно живым организмам в природе. Благодаря этому исследованию станет понятно, как использовать физические процессы в пользу науки. В будущем результаты работы послужат для качественного управления системами роботов и для разработки новых функциональных материалов разных устройств и приборов, которые продвинут медицину вперед.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 18:26
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

Вчера, 16:20
Татьяна

Врачи давно знают, что во время каникул и праздников растет число пациентов с нарушениями работы сердца. Причина — в неумеренном пьянстве. Две группы ученых показали, как спиртное вызывает мерцательную аритмию, а также предупредили о рисках для женщин, принимающих гормональную заместительную терапию.

5 часов назад
Алиса Гаджиева

Во время раскопок на юге Турции археологи обнаружили глиняную табличку с хорошо читаемой аккадской клинописью. Когда ее расшифровали, оказалось, что это важные хозяйственные записи, сделанные 3500 лет назад.

Вчера, 18:26
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

17 июля
Игорь Байдов

Команда китайских инженеров разработала модель магнитоэлектрического генератора, способного эффективно преобразовывать энергию падающих капель в электричество. Устройство может быть полезно для районов с повышенной сезонной влажностью. Разработка ученых в теории выглядит перспективно, но вызывает некоторые вопросы. В частности, пока не ясно, можно ли найти ей практическое применение.

Вчера, 16:20
Татьяна

Врачи давно знают, что во время каникул и праздников растет число пациентов с нарушениями работы сердца. Причина — в неумеренном пьянстве. Две группы ученых показали, как спиртное вызывает мерцательную аритмию, а также предупредили о рисках для женщин, принимающих гормональную заместительную терапию.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

[miniorange_social_login]

Комментарии

2 Комментария
Андрей Андреев
3 недели назад
-
0
+
Просто роботы друг другу скидывают прон по блютузу :))))
aRTUR Ko
4 недели назад
-
0
+
Зачем роботам тепло, или они ищут Сару?
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно