Roboti se naučili tancovat díky zákonům termodynamiky

TLDR: Tým vědců ze Severozápadní Univerzity v Illinois a MIT vyvinuli roboty, kteří dovedou sami od sebe synchronně „tancovat“. Pomůže to při studiu chování autonomních systémů včetně třeba roboaut. Studie tu.

Hurá na parket!

„Malé věci mají tendenci vytvářet větší, složitější systémy.“ To je něco co většina z nás díky selskému rozumu tak nějak ví. Ptačí hejno se pohybuje a reaguje jako jediný velký organismus. Jednotlivé buňky našeho těla spolupracují a dělají vše pro to, aby nás udržely naživu a spokojené. I obyčejná sněhová vločka je výsledkem řádu, který vzešel z náhodného chaosu volně se pohybujících molekul vody.

Tomuto jevu se také říká emergence, a popsat ho není vůbec tak jednoduché, jak se na první pohled zdá. Ne nadarmo si s ním lámou hlavu vědci i filosofové už pěkných pár let. Nyní by jim s tím ale mohli pomoci roboti, které vyvinul Thomas Berrueta ze Severozápadní Univerzity v Illinois, ve spolupráci s týmem fyziků z MIT. Tihle ani ne 20 cm velcí robotci se totiž sami dovedou zorganizovat a vytvořit společný tanec.

Zní to asi jako titulek z počátku náhodného dílu Futuramy, ale fskutečnosti je tenhle základní výzkum podstatný třeba pro to, aby nám do sebe samořízená auta příliš nenarážela…

Jak roztančit roboty

Tihle robotci nejsou žádný Wall-e, vypadají vlastně jenom jako krabička se senzory, motorky a se dvěma pohyblivými „ploutvemi“. Jejich tvůrci jim trochu vznosně přezdívají „smarticles“ od Smart Active Particle – tedy chytré aktivní částice. Vědci naprogramovali tyhle mini roboty tak, aby v určité sekvenci pohybovali svými dvěma ploutvemi, načež umístili několik robotků do ohraničeného prostoru.

Z počátku to vypadalo očekávatelně – několik robotů, kteří do sebe strkají a chaoticky kolem sebe plácají ploutvemi. Po nějaké době se ale pohyb robotků začal sám od sebe organizovat, a z náhodného plácání vznikl synchronní „tanec“. Jak ale tenhle tanec vznikl sám od sebe? Odpověď je nasnadě, Termodynamika!

No dobrá, zkusím to trochu rozvést. Už někdy v roce 1870 provedl Švýcarský fyzik Charles Soret experiment, při kterém zkoumal hustotu částic v solném roztoku. Tenhle roztok nalil do nádoby, která byla z jedné strany zahřívána a z druhé ochlazována. Charles popsal, že hustota částic byla vyšší na chladné straně válce, než na té zahřívané.

Je to proto, že částice v teplém roztoku mají více energie, více se pohybují a narážejí do sebe a tím pádem je větší šance, že se dostanou až na druhou stranu válce. Zatímco částice na chladné straně válce mají málo energie, takže se tolik nepohybují a nestrkají do sebe.

Rachocením vpřed

Když částice využijí dodávanou energii (například tepelnou) k pohybu, říká se tomu též „rachocení“ (z angl. rattling). Čím vyšší je rachocení, tím rychlejší ale i neuspořádanější je pohyb částic. Když je hodnota rachocení nižší, je pohyb stabilnější a pro daný systém je to energeticky výhodnější. Zatím se chytáte? Super.

Autoři této studie to vysvětlují takto: Pokud hmota a dodávaná energie v systému umožňují existenci stavu s nízkou hodnotou „rachocení“, systém se bude náhodě uspořádávat, dokud tohoto energeticky výhodného stavu nedosáhne.“

V případě našich tancujících robotků to lze pozorovat v přímém přenosu. Synchronní tanec je pro ně energeticky výhodnější, protože se nepohybují tak chaoticky, méně do sebe narážejí a ztrácejí tak méně energie při náhodných kolizích.

Tancující auta?

Představa robotů, kteří sami od sebe tancují, zní poeticky. Ale k čemu nám to je? Inu, pochopení toho, jak se částice v systému uspořádávají a jak spolu interagují, by nám mohlo poskytnout celou řadu výhod. Tihle tancující robotci by nám například mohli pomoci lépe předvídat pohyb aut, efektivněji programovat robotická vozidla, a nebo řídit dopravu.

Mohli by nám také pomoci předvídat pohyb a chování davů, nebo programovat samo-organizující se miniroboty, kteří by mohli plnit celou řadu složitých úkonů.

Tenhle výzkum je ale stále v plenkách, a od tří hranatých robotů plácajících se v kroužku na stole je k praktickým uplatněním ještě hodně daleko. Jednou by nám ale robotí tanec mohl pomoci vysvětlit emergenci, vznik řádu z chaosu a jeden z nejzvláštnějších jevů vesmírů – a napomoct nám kolektivně dojít do báječného světa zítřka plného robotů, blacjacku a dalších radostí!

 [Svatopluk Skoupý]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je [email protected]