Ученые Пермского Политеха выяснили, что большие скопления роботов группируются подобно стаям пингвинов
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые подтвердили один из самых необычных эффектов Общей теории относительности (ОТО): вращение Земли действительно «увлекает» за собой пространство-время. Новое измерение, выполненное с помощью спутника LARES-2, оказалось примерно в 10 раз точнее предыдущих и еще сильнее ограничило пространство для альтернативных теорий гравитации.
В отличие от микрочастиц, наночастицы не только эффективно проходят барьеры дыхательной системы, но и идут дальше — в мозг человека. До сих пор масштаб смертности от них был неясен. Теперь исследователи выяснили, что она доходит до миллионов человек каждый год.
В колониях голых землекопов царит железный порядок: потомство приносит только одна самка — королева. Остальные в размножении не участвуют и трудятся на благо сообщества. Более 40 лет ученые пытались понять, как именно королеве удается подавлять репродуктивную функцию сородичей. К ответу приблизилась международная команда биологов.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно