Małe łodzie łączą się jak klocki. Zbudują most tam, gdzie go potrzebujesz

Wyobraź sobie scenę po powodzi: woda wciąż stoi wysoko, drogi są zerwane, a ciężki sprzęt nie ma jak dojechać. Zamiast czekać godzinami albo dniami na wojskowy most pontonowy, na powierzchni pojawiają się dziesiątki niewielkich, niemal niepozornych łodzi. Najpierw dryfują osobno, jakby bez celu. Po chwili zaczynają się odnajdywać, podpływać do siebie, ustawiać w równych liniach. Klik, klik – kolejne moduły łączą się ze sobą, aż z chaosu wyłania się stabilna konstrukcja. Kilka minut później masz gotową przeprawę, pomost albo platformę, na której mogą stanąć ratownicy.

Za tym pomysłem stoi MIT i ich projekt FloatForm. To system autonomicznych łodzi, które działają trochę jak pływające klocki Lego, tylko że bez instrukcji i bez człowieka, który je układa. Każda jednostka potrafi samodzielnie odnaleźć inne, dopasować się do nich i stworzyć większą całość. Co ważne, to nie jest jednorazowa konstrukcja. Te same łodzie mogą się rozłączyć, rozpłynąć po zbiorniku i po chwili złożyć w zupełnie inny kształt – most, platformę roboczą albo coś, czego wcześniej nawet nie planowano.

Pojedynczy moduł ma kształt kwadratu o boku 21 cm, czyli jest mniej więcej wielkości dużego talerza obiadowego. Na pierwszy rzut oka wygląda niepozornie, ale w środku kryje się pełnoprawny robot: akumulator, zestaw czujników, komputer pokładowy i cztery niewielkie silniki ustawione w układzie litery X. Taka konfiguracja daje mu sporą swobodę ruchu – łódź może płynąć w dowolnym kierunku, wykonywać precyzyjne manewry boczne i obracać się w miejscu, jakby była zawieszona na niewidzialnej osi.

Najciekawszy jest jednak system łączenia, który sprawia, że pojedyncze moduły przestają być tylko łodziami. Każda z czterech ścian robota wyposażona jest w magnesy uruchamiane przez sprytny mechanizm inspirowany origami. Dzięki temu moduły potrafią wyciągnąć rękę do sąsiada i przyciągnąć go nawet z odległości 10-15 cm, a potem pewnie się z nim złączyć. Gdy zadanie zostanie wykonane, połączenie można równie łatwo rozluźnić i pozwolić łodziom znów działać samodzielnie.

Co ważne, magnesy nie wymagają ciągłego zasilania, żeby utrzymać konstrukcję w ryzach. Energia potrzebna jest tylko w momencie chwytania albo zwalniania połączenia. To oznacza, że gdy platforma, most czy inna struktura jest już gotowa, może pozostawać stabilna bez niepotrzebnego drenowania niewielkich akumulatorów. Daje to większą wydajność i pozwala robotom dłużej działać w terenie, zamiast wracać co chwilę na ładowanie.

Wiele wcześniejszych systemów modułowych korzystało z centralnego komputera, który dokładnie wyznaczał trasę każdemu robotowi. Przy dużej liczbie jednostek robi się z tego problem: obliczenia rosną, roboty czekają na swoją kolej, a awaria centrum sterowania może zatrzymać cały rój.

FloatForm działa zupełnie inaczej. Centralny planer wskazuje głównie docelowy kształt i pomaga dopracować ostateczne ustawienie. Cała reszta odbywa się lokalnie. Roboty wymieniają informacje z najbliższymi sąsiadami, omijają kolizje i jednocześnie płyną na swoje miejsca. Inspiracją były mrówki ogniste, które podczas powodzi łączą ciała i tworzą żywe tratwy. Nie potrzebują jednego dowódcy, który ustawia każdą robotnicę. Z prostych lokalnych zachowań powstaje większa, stabilna konstrukcja.

Jak pisaliśmy w tekście: Roboty wielkości ułamka rysika, a silne jak słonie. Naukowcy stworzyli mikromaszyny inspirowane mrówkami, podobna zasada pozwala również mikromaszynom wspólnie przenosić ładunki wielokrotnie cięższe od pojedynczego robota. Jedna maszyna jest ograniczona. Dobrze zorganizowany rój zaczyna przypominać zupełnie nowy organizm.

W basenie badawczym MIT scena wyglądała trochę jak kontrolowany chaos. Osiem niewielkich robotów startowało z zupełnie przypadkowych miejsc, każdy płynął w swoją stronę, jakby nie miał żadnego planu. Po chwili zaczynało się jednak coś, co przypominało dobrze zorganizowany taniec: łodzie odnajdywały się nawzajem, korygowały kurs, ustawiały w odpowiednich pozycjach i jedna po drugiej zatrzaskiwały się w zadanym układzie. W efekcie powstawała sztywna, spójna platforma.

To jednak dopiero połowa pokazu. Po krótkiej chwili konstrukcja rozpadała się na pojedyncze moduły, które znów zaczynały się przemieszczać, by po chwili ułożyć się w zupełnie nowy kształt. Tym razem nie była to już statyczna platforma, ale większy, złożony pojazd, który płynął po wodzie jak jedna maszyna.

Cały ten proces – od rozproszonego roju do gotowej konstrukcji i z powrotem – zajmował od 4 do 8 minut. W serii 10 prób system działał bez ingerencji człowieka w 90 proc. przypadków przy 4 robotach i w 70 proc. przy 8. Co ważne, symulacje sugerują, że podobne zachowanie można osiągnąć także przy znacznie większych rojach, nawet do 64 jednostek.

Jedną z największych zalet takiego podejścia jest odporność na błędy i nieprzewidziane sytuacje. Jeśli któryś robot zgubi orientację albo zostanie chwilowo wypchnięty z układu, nie paraliżuje to całej konstrukcji – może samodzielnie odnaleźć rój i ponownie do niego dołączyć. Gdy kilka jednostek zablokuje się podczas manewru, system nie wpada w martwy punkt: roboty mogą się rozłączyć, skorygować ustawienie i spróbować jeszcze raz. Dzięki temu całość zachowuje się bardziej jak żywy organizm niż sztywna maszyna.

Na razie nie można wrzucić takich robotów do Wisły i przejść po nich na drugi brzeg. Obecne moduły są niewielkimi prototypami testowanymi w kontrolowanym basenie. Nie są przeznaczone do przenoszenia ludzi, samochodów ani ciężkiego sprzętu. Przejście do pełnowymiarowej konstrukcji oznacza mocniejsze kadłuby, mechaniczne zamki i systemy odporne na fale, nurt, wiatr oraz nierównomierne obciążenie.

Ultradźwiękowe znaczniki używane w laboratorium trzeba będzie zastąpić GPS-em, kamerami albo innym systemem pozycjonowania. Sam algorytm został jednak zaprojektowany tak, by nie zależeć od jednego rodzaju czujników. Większa łódź może korzystać z innych urządzeń, zachowując tę samą zasadę współpracy.

Przeczytaj także:

Docelowo z takich modułów mogłyby powstawać tymczasowe mosty po powodziach, platformy dla ratowników, mobilne przystanie, stanowiska do naprawy infrastruktury morskiej albo pływające sieci czujników. W miastach poprzecinanych kanałami rój mógłby rano stworzyć przeprawę dla pieszych, później zmienić się w targowisko, a wieczorem ułożyć w scenę. Po zakończeniu wydarzenia platforma rozpadłaby się na łodzie i odpłynęła, zamiast na stałe zajmować przestrzeń.