Роботы, вдохновлённые термитами

Общественные насекомые, такие как термиты, способны строить сложные сооружения с развитой системой туннелей. При этом строительство идёт без изначального общего плана, без прямого обмена информацией о ходе работ и без наличия лидера или архитектора. Робототехники заинтересовались вопросом, возможно ли спроектировать роботов с ограниченными сенсорными и моторными возможностями (подобно термитам), которые, следуя простым правилам, смогут коллективно возводить сложные объекты^{[1][2][3][4][5][6]}.

В рамках проекта TERMES команда Гарвардского университета спроектировала каждого робота с возможностью выполнять несколько простых действий: движение вперёд и назад, повороты, подъём или спуск на высоту одного специализированного блока, а также транспортировку блока на собственной платформе. Для перемещения использовались ведущие приводы типа whegs (колёсно-ножная конструкция). Для распознавания окружающей среды и других роботов на каждом роботе устанавливали: семь инфракрасных сенсоров для навигации по контрастным меткам, акселерометр для определения угла наклона при подъёме на блок и пять ультразвуковых (сонарных) датчиков для определения расстояния до границ территории и соседних роботов. Для захвата, подъёма и установки строительных блоков каждый робот оснащался манипулятором с пружинным захватом, удерживающим блок при переноске. Размеры строительного блока составляли 21,5×21,5×4,5 см и были больше площади основания самого робота (17,5×11,0 см)^[1].

Во время испытаний гарвардских роботов, вдохновлённых термитами, коллектив из нескольких единиц возводил сооружения методом стигмергии. Вместо прямого обмена информацией между машинами, каждый робот детектировал текущее состояние среды и следовал простым локальным правилам размещения и перемещения блоков, реагируя на конфигурацию уже выложенных элементов. Правила были разработаны так, чтобы итоговая форма структуры зависела от количества участвующих роботов и стартового расположения блоков^[1][6].

Проект TERMES является демонстрацией концепции (proof of concept) относительно возможности создания простых коллективов автономных роботов для строительства крупных сооружений, включая работы в труднодоступных или опасных средах. Исследователи, разработавшие эти роботы, предполагают, что в будущем подобные устройства смогут использоваться для создания баз на Марсе перед прибытием людей-астронавтов^[5]. В более близкой перспективе предполагаются применения, такие как коллективная перевозка мешков с песком и сооружение дамб в зонах наводнений^[2][4][5][7].

После презентации в 2014 году активная фаза разработки оригинального проекта TERMES завершилась, и он перешёл в статус концептуальной основы для последующих исследований^[8][9]. Ключевые исследователи проекта продолжили работу в области роевой робототехники, возглавив собственные лаборатории. Одна из ведущих разработчиц роботов TERMES, Кирстин Петерсен, основала в Корнеллском университете лабораторию «Коллективного воплощённого интеллекта» (Collective Embodied Intelligence Lab), где продолжила исследования в области коллективного роботизированного строительства^[10]. Радика Нагпал, руководительница исследовательской группы в Гарварде, со временем перешла в Принстонский университет, где возглавила «Лабораторию самоорганизующихся роёв и робототехники» (Self-organizing Swarms and Robotics Group)^[11]. Джастин Верфель остался в Гарвардском университете в качестве старшего научного сотрудника Института Висса, руководя «Лабораторией проектирования эмерджентности» (Designing Emergence Laboratory)^[12].

Научное наследие проекта TERMES развивалось по нескольким ключевым направлениям. В 2019 году был представлен новый «масштабируемый компилятор» для системы TERMES, позволивший преобразовывать чертежи более крупных и сложных конструкций в набор простых правил для роботов^[9]. Важным шагом стало углублённое изучение биологических прототипов: в 2020—2021 годах группа учёных, включая Верфеля и Нагпал, опубликовала исследование, в котором была выдвинута и экспериментально проверена гипотеза о том, что термиты координируют строительство, ориентируясь не на феромоны, а на градиент влажности^[13][14]. В ходе эксперимента автономный робот, оснащённый датчиками влажности, успешно адаптировал свою строительную стратегию в зависимости от внешних условий (наличия воздушного потока), имитируя поведение настоящих термитов^[13].

Идеи проекта также были применены к новым типам роботов. В 2020 году группа Радхики Нагпал представила проект «Eciton Robotica» — коллектив мягких карабкающихся роботов, вдохновлённых муравьями-кочевниками, которые способны формировать адаптивные структуры из собственных тел^[15]. В лаборатории Кирстин Петерсен в 2022 году были представлены работы, посвящённые механизмам коррекции ошибок в процессе коллективного строительства^[9].