Управление большими группами взаимодействующих объектов — от наночастиц до автономных роботов — остается одной из ключевых проблем современной науки. Большинство существующих моделей либо плохо масштабируются, либо игнорируют влияние внешней среды. Исследователи Пермского Политеха предложили новый универсальный подход, опираясь на принципы коллективного выживания императорских пингвинов, сообщили в пресс-службе вуза.
В природе подобные задачи давно решены. Императорские пингвины во время антарктических штормов формируют плотные скопления, внутри которых температура заметно выше окружающей. Когда численность колонии достигает определенного порога, птицы переходят к упорядоченному вихревому движению: особи с холодной периферии постепенно смещаются к более теплому центру, а затем возвращаются обратно. Такой механизм позволяет всем участникам по очереди находиться в комфортных условиях — без централизованного управления.
Этот принцип лег в основу математической модели, разработанной в Пермском Политехе. Ранее ученые уже показали, что группа простых роботов, ориентированных на источник тепла, способна самостоятельно выстраиваться в упорядоченные структуры. Однако тогда анализ велся на уровне всей системы. В новой работе исследователи впервые подробно рассмотрели поведение каждого отдельного агента и проследили, как индивидуальные решения приводят к коллективному движению.
Модель основана всего на двух правилах, заимствованных из наблюдений за пингвинами: стремлении к теплу и отталкивании на малых расстояниях. Чем холоднее окружающая среда, тем сильнее агент тянется к группе, но при слишком близком сближении возникает эффект «давления», предотвращающий столкновения.
Для проверки универсальности этих закономерностей ученые использовали рой роботов Kilobot. Эксперименты показали, что искусственные системы проходят те же стадии, что и живые сообщества. При малом числе агентов формируется статичная, почти кристаллическая структура. Однако при превышении критического порога — около 110 роботов — система спонтанно переходит к вихревому движению, обеспечивающему перераспределение тепла между всеми элементами.
«Движение агентов рассчитывается пошагово: на каждом временном интервале программа определяет положение всех роботов и силы притяжения и отталкивания между ними», — пояснил младший научный сотрудник кафедры прикладной физики ПНИПУ Кирилл Костарев.
По словам исследователей, выявленный пороговый эффект имеет важное прикладное значение. Он позволяет заранее определить минимальную численность группы, необходимую для запуска согласованного коллективного поведения — ключевой параметр при проектировании роев автономных устройств.
Открытые принципы могут найти применение в самых разных областях. В перспективе они позволят создавать рои подводных или космических дронов, способных самостоятельно поддерживать работоспособность в экстремально холодных условиях. В биомедицине аналогичные механизмы могут использоваться для управления нанокапсулами с лекарствами, которые будут собираться в зоне опухоли и высвобождать препарат при локальном повышении температуры.
Вера Сергеева.
Фото: AdobeStock
