k-bigpicИспользуя десять крошечных роботов, оснащённых световыми сенсорами и чрезвычайно простым набором заложенных правил, учёные смогли успешно воспроизвести навигационное поведение колонии муравьёв. Это открытие может помочь в создании более эффективной транспортной системы в человеческом обществе – но также и даёт нам новое понимание того, как работает разум улья этих удивительных насекомых.

Муравьи способны ориентироваться в своей сложной транспортной системе с помощью большого числа различных техник (которые зависят от конкретного вида). Они могут использовать визуальные приметы, вроде лесного полога, положение солнца, или природные ориентиры вдоль своего пути. Они также могут использовать проприецептивную информацию – вроде подсчёта числа шагов и числа поворотов тела. Муравьи также могут следовать феромонным дорожкам и использовать социальную информацию — например, быстрое обследование еды, которую переносят их товарищи.

Но их выбор направления также зависит от геометрической конфигурации точек соединения различных путей – узлов транспортной системы. Точный угол, задаваемый этими перекрёстками, влияет на то, каким путём будет следовать муравей в лабиринте переходов. Как следствие, эти углы могут влиять на способность муравья верно следовать феромонной дорожке к источнику пищи.

Что примечательно, муравьи всегда выбирают правильный путь – то есть они выполняют весьма значительную работу по ориентированию даже в самых странных и непредсказуемых переходах – и всегда выбирают самый удачный путь. Это заставило учёных предположить, что в их механизме принятия решений и ориентирования в своём окружении есть какая-то глубокая подоплёка.

Спросите у Алисы

Чтобы проверить эту гипотезу, команда учёных, возглавляемая Саймоном Гарнье из Института технологий Нью-Джерси, провела эксперимент, в котором роботы-муравьи были поставлены перед сходным испытанием. Но вместо феромонного следа эти миниатюрные механизмы, названые Алисами, оставляли световые следы, которые можно было отследить с помощью световых сенсоров.

originalДля эксперимента десять робо-муравьёв были помещены в лабиринт, в котором не было заранее проложенных световых дорожек. Их тестировали в двух типах лабиринтов: с симметричными развилками и с асимметричными (которые больше похожи на настоящие сети муравьёв). Их задачей было установить в сети коридоров путь между стартовой зоной и точкой назначения.

Роботы были запрограммированы на минимальное «исследовательское поведение», аналогичное тому, которым руководствуются настоящие муравьи, а именно – на случайный паттерн передвижения, но в заданном общем направлении.

«Роботы были запрограммированы двигаться по прямой в течение случайного отрезка времени, а затем поворачивать под случайным углом между +30 и -30 градусами», рассказывает Гарнье. «Это давало поведению робота некоторую гибкость».

В ходе эксперимента учёные уделяли особое внимание связи между перемещениями роботов, их поведению по прокладке следа и следования по нему, и тому, как это было связано с физической структурой их окружения.

Просто следуй туда, где уже побывали до тебя

Нет нужды говорить, что первоначально роботы на каждом перекрёстке следовали пути, который наименее отклонялся от их траектории. Но если они замечали световой след – знак того, что здесь уже проходил другой робот – они поворачивали, чтобы следовать этому пути.

«Роботы предпочитали идти туда, где прежде уже были другие роботы», говорит Гарнье.

Но в отличие от их предыдущих работ с муравьями, было похоже, что углы развилок в переходах мало связаны с общей эффективностью передвижения. Роботы выполняли свою задачу с высокой точностью без всякого предварительного программирования на опознавание и вычисление физической формы развилки. Всё что им требовалось – это световая дорожка и заложенная в них изначально программа случайного движения. Вместе два этих простых «свойства» позволяли им найти наиболее удачный путь между своей стартовой зоной и точкой назначения.

«В начале эксперимента, когда следов ещё не было, они использовали все пути одинаково», объясняет Гарнье. «Но со временем они начинали всё чаще использовать более короткие пути, поскольку те отмечались следами более часто, что и дальше увеличивало число следов на этих дорожках». Так формировалась положительная петля обратной связи – когда большее количество следов ведёт к повышенному движению в этом направлении, которое ведёт к ещё большему числу следов.ku-xlargeНо это только половина истории. Вот что пишет профессор Гарнье:

Эти муравьи практически слепы, и ориентируясь в своей сети, они не имеют представления, в каком общем направлении находится их муравейник. Для нас это всё равно, что заблудиться в метель в сельской местности, когда нет никакой возможности прочитать указатели вдоль дороги и понять, в какой стороне север. И вот представьте, что в таких условиях вам необходимо найти дорогу обратно к городу. Единственная информация, которая у вас есть – это следы, оставленные другими автомобилями. Вы можете следовать по ним, но каждый раз, когда вы будете достигать перекрёстка, у вас не будет никаких идей, какой путь – правый или левый – приведёт вас ближе к городу, а какой вернёт назад в глушь, или что ещё хуже – заставит вас ходить по кругу (следуя по собственной дорожке и усиливая таким образом свои следы). Муравьи, однако, нашли решение этой проблемы. Их сети следов не симметричны: на развилке, когда они возвращаются от источника пищи, путь, который имеет меньший угол с направлением их движения, более вероятно приведёт к муравейнику, чем путь с большим углом. К тому же, поскольку этот путь меньше отклоняется от направления их движения, они с большей вероятностью последуют по нему, потому что он требует меньше усилий (меньше разворот тела).

И в этом на самом деле есть много здравого смысла. Аргентинские муравьи, с которых было смоделировано это исследование, имеют слабое зрение и перемещаются слишком быстро, чтобы принимать сложные решения о том, куда двигаться дальше. Как выяснили учёные, на самом деле это очень простой процесс.

Это открытие поможет исследователям понять, как феромонные следы и конфигурация физического окружения влияют на поведение отдельных особей и всего сообщества этих социальных насекомых, а также может найти применение в системах транспорта в нашем собственном обществе.


2 thoughts on “Инженеры сумели построить первое сообщество роботов-муравьёв”

  1. Тайна поведения муравьев, пчел и т.д. расказана в книге Н.Левашова «Последнее обращение к человечеству». Определенное количество муравьев создает пси-поле, благодаря которому колония действует, как единый наноорганизм и каждый отдельный индувидуум управляется общим разумом.

    1. Совершенно верно, Вячеслав, теория например социоглюонного взаимодействия появилась именно благодаря муравьям. К примеру, давно было известно, что муравей, если отделить его от муравейника, обязательно погибнет — даже если все его витальные потребности будут удовлетворены. Безумно интересная область исследований.

Добавить комментарий