|
|
 |
|
|
 |
Ученые Пермского Политеха выяснили, что большие скопления роботов группируются подобно стаям пингвинов
Исследование опубликовано в журнале Fluid Dynamics & Materials Processing. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
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.
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.
Контактное лицо: Дарья Биянова (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 12:14, 08.07.2024
Количество просмотров: 56
Страна: Россия
| ТГУ выпустил книгу о коте-библиотекаре, Тольяттинский государственный университет, 04:40, 03.09.2024, Россия |
451 |
| В издательстве Тольяттинского государственного университета вышла книга «Приключения библиотечного кота Кузи» (6+). Тёплая и добрая история о смелости в открытии новых горизонтов стала первой книгой для детей в ассортименте издательства. |
|
| В ТГУ подготовят психологов-управленцев, Тольяттинский государственный университет, 04:40, 03.09.2024, Россия |
447 |
| Тольяттинский государственный университет (ТГУ) внедряет новую модель обучения. Апробированная вузом организационно-ролевая модель образовательного процесса позволяет быстро создавать актуальные образовательные программы, востребованные у абитуриентов, с учётом запросов рынка труда. |
|
| Разработка ученых Пермского Политеха улучшит качество стекла в 2 раза, ПНИПУ, 04:37, 03.09.2024, Россия |
248 |
| Силикатные стекла используются в различных областях: от лабораторного оборудования до строительства и электроники. Для улучшения качества готового продукта необходимо повышать прозрачность и достигать однородности стекломассы. Ученые Пермского Политеха разработали для этих целей новый подход. Изобретение ускоряет получение изделий из стекла, которое при этом не имеет физических недостатков. |
|
| Дыбом встали – ученые Пермского Политеха рассказывают, что такое мурашки по коже, Пермский Политех, 04:34, 03.09.2024, Россия |
27 |
| Что общего у человека и дикобраза? Зачем нам мурашки и можем ли мы их контролировать? Какие болезни приводят к гусиной коже? Как быстро избавиться от неприятных ощущений, когда отсидел ногу или затекла рука? В чем секрет самого популярного массажера для головы? Об этом рассказывают ученые Пермского Политеха. |
|
| Ученые Пермского Политеха выяснили, из-за чего могут разрушаться авиационные детали, Пермский Политех, 04:33, 03.09.2024, Россия |
25 |
| В авиапромышленности широко используются композитные материалы, состоящие из множества коротких или непрерывных волокон, в частности, углеродные слоисто-волокнистые композиты. К ним относится углепластик. Его популярность объясняется небольшой массой, высокой прочностью и возможностью создания из него изделий сложной формы. |
|
| Ученые Пермского Политеха разработали модель системы для глубокого сверления, Пермский Политех, 04:30, 03.09.2024, Россия |
28 |
| Среди технологических операций резания сверление играет особую роль. Это самый распространенный и экономически выгодный метод получения отверстий различных размеров. При этом для создания отверстий с соотношением глубины к диаметру более 10 единиц требуется специальное оборудование, режущий инструмент и особая технология. |
|
| ТГУ повышает качество преподавания фундаментальных дисциплин, Тольяттинский государственный университет, 04:39, 30.08.2024, Россия |
54 |
| На комиссии Минобрнауки России Тольяттинский государственный университет (ТГУ) успешно защитил программу повышения качества преподавания фундаментальных дисциплин на 2024–2025 годы. ТГУ намерен привлечь молодых специалистов, повысить зарплаты преподавателям фундаментальных дисциплин и сделать акцент на разработку современного цифрового онлайн-контента для повышения уровня подготовки студентов. |
|
|
|
|
|
|
|
Разделы //
Новости по странам //
Сегодня у нас публикуются //
|
|
