19.06.2012

Прыгающие бобы помогли создать новый алгоритм движения робота

Человек широко использует перекатывание (тот же колёсный транспорт), однако в природе оно встречается отнюдь не на каждом шагу. Мексиканские прыгающие бобы — одно из редких исключений. Базируясь на их поведении, исследователи из Технологического института Джорджии (США) разработали новый алгоритм поведения колёсных роботов, который может иметь значительные перспективы, пишет Phys.Org.

Уникальность так называемых прыгающих бобов в том, что у них почти нет вычислительных мощностей или сенсоров. Внутри боба мексиканского кустарника некрупная моль заселяет личинку, которая подвешивает себя на сети шёлковых ниток к внутренней оболочке боба. Если Солнце нагревает боб, личинка может оказаться обезвоженной и погибнуть. Поэтому при нагревании бобы «прыгают» или «катятся», фактически становясь транспортными средствами личинок. В первом случае личинка удерживается на внутренней поверхности одним концом своего тела и ударяет по этой же поверхности другим концом. Чтобы катиться, она поступает как хомяк в колесе, только не в спортивных, а в транспортных целях: быстро перебирает ложноножками, стоя на месте внутри боба, и заставляет округлую оболочку перекатываться. Чем выше температура, тем выше прыгучесть, позволяющая двигаться быстрее перекатывания: при 45 °С боб подпрыгивает 40 раз в минуту, перекатываясь (благодаря округлой форме) после прыжка.

Робототехнике подходит как раз последний вариант: у личинки нет глаз или ушей, да и через стенки боба всё равно ничего не видно. Строго говоря, она «понимает» только ИК- и УФ-излучение, причём опосредованно, через чувство тепла. При этом, подпрыгивая, она при относительно небольшом количестве прыжков быстро находит тенистое место, где продолжает ждать весну. И всё это при том, что личинка в прямом смысле прыгает наобум. Робот, который мог бы отслеживать наличие тех или иных факторов (от градиента тепла до радиоактивного излучения и радиопередач врага), используя самый минимум вычислительных возможностей и всего один сенсор, бесспорно, был бы весьма желателен в ряде областей, включая, например, оборону или научные исследования.

Но сначала исследователи изучили алгоритмы передвижения прыгающих бобов. В опыте использовались те же средства, что и в мексиканской азартной игре с этими бобами, — раскаляемые в процессе «гонок бобов» стальные формы для выпекания хлеба, подогреваемые - с одного конца («старт») и холодные - с другого («финиш»).

Несмотря на то что все бобы двигаются одинаково, казалось бы, случайно подпрыгивая и перекатываясь, к финишу они приходят в разное время, перемещаясь с разной скоростью. В общем, случайность, как это часто бывает, оказалась заранее просчитанной. А ведь бедные мексиканцы устраивают азартные игры с денежными ставками на таком «рэндомном» фундаменте! По словам исследователей, на самом деле движение бобов статистически довольно предсказуемо. Из 550 движений дюжины бобов, участвовавших в опытах, 85% составили прыжки, 14% — перекатывание и 1% — кувырки, сочетающие в одном движении качение и подпрыгивание.

Алгоритм в целом оказался развёртыванием в пространстве известного алгоритма «Эмпайр-Стейт-Билдинг» (чтобы найти человека на неизвестном этаже, вы едете на 51-й, выясняете, ниже или выше вас находится цель, затем попадаете на 25-й или 76-й, и так далее). Чтобы выбрать самое холодное место, делается прыжок № 1. Если температура снизилась, начинаются прыжки на меньшую дистанцию или перекатывания. Если наоборот — снова следует прыжок на большую дистанцию. Если после прыжка № 2 температура окажется выше, чем после прыжка № 1, начинается движение назад, но не прыжком, а перекатыванием, с меньшей скоростью... При всей внешней простоте схемы оказалось, что какие-то бобы следуют ей точнее, раньше приходя к финишу, а какие-то относятся к делу более халатно, спустя рукава.

По словам разработчиков алгоритма, они уже опробовали его на серийном колёсном роботе и пришли к выводу, что система весьма перспективна. Теперь они собираются заняться разработкой нового микроробота, основывающегося на алгоритме прыгающих бобов. По словам исследователей, такой робот может быть не сантиметровым в диаметре, как оригинал, а гораздо меньшим и при этом нуждающимся лишь в самой элементарной электронике и нетребовательным к энергоснабжению.

Результаты исследования опубликованы в журнале Bioinspiration and Biomimetics.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА