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 Российской Федерации.

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. Группу 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.

Поддержать редакцию