Новое исследование показало, что сложный архитектурный порядок может возникнуть из хаоса, если каждый участник системы действует по простым, локальным правилам, реагируя только на ближайшее окружение.
В отличие от традиционного подхода, при котором строительство — будь то небоскреб или деталь на 3D-принтере — требует детального плана и его последовательного, шаг за шагом, исполнения, новая методика опирается на децентрализованное поведение. В компьютерных симуляциях рои виртуальных роботов создавали структуры, напоминающие пчелиные соты, просто реагируя на местные сигналы, например, наличия строительного материала или прикосновения к ранее построенному элементу. Ни один робот не обладал пониманием общей картины или конечной цели — все строилось как бы само собой.
По словам одного из руководителей проекта Джордана Рэни, даже 3D-печать подвержена сбоям: засорение сопла может испортить всю деталь. Зато в живой природе, даже если одна пчела ошиблась, стройка продолжается — именно такую устойчивость команда стремилась воплотить при помощи роботов. Идея заключалась не в том, чтобы копировать поведение конкретного насекомого, а в том, чтобы воспроизвести фундаментальный принцип: множественные простые действия, которые происходят параллельно, могут создать нечто сложное и функциональное.
Чтобы этого добиться, ученые разработали набор из примерно дюжины параметров: скорость движения, угол поворота, реакция на столкновение и так далее. Манипулируя этими переменными в симуляциях, инженеры искали оптимальное сочетание, при котором структура возникает как побочный продукт взаимодействий роботов. Как оказалось, степень «хаотичности» — например, случайные колебания в направлениях движения — напрямую влияет на итоговую геометрию конструкции. Это неожиданное открытие может оказаться полезным не только для автоматизированного строительства, но и для создания более прочных и устойчивых материалов.
Следующим шагом станет перенос модели из виртуального мира в реальный. Пока что у ученых есть лишь прототипы, и предстоит еще немало работы над тем, как именно роботы будут взаимодействовать с материалом. Одна из перспективных идей — не выкладывать материал, как это делает 3D-принтер, а формировать конструкции с помощью электрохимических реакций, словно выращивая металл вокруг себя. Но главное уже сделано: инженеры смогли доказать, что можно отказаться от привычной архитектурной логики с чертежами и проектами, и дать форму сложным объектам при помощи простых агентов, действующих независимо.
«Природа не начинает с генерального плана. Она начинается с множества маленьких действий, которые в итоге складываются в нечто большее, — говорит Рэни. — Теперь и мы начинаем понимать, как это можно реализовать в инженерии».
Ранее ученые напечатали на 3D-принтере робота, который работает на воздухе, а не на электричестве.
