Человек широко использует перекатывание (тот же колёсный транспорт), однако в природе оно встречается отнюдь не на каждом шагу. Мексиканские прыгающие бобы — одно из редких исключений. 

Базируясь на их поведении, исследователи из Технологического института Джорджии (США) разработали новый алгоритм поведения колёсных роботов, который может иметь значительные перспективы.

Бобы — один из немногих примеров освоения насекомыми наземного транспорта, причём алгоритм управления им оказался довольно эффективным. (Здесь и ниже фото West, et al.)

Уникальность так называемых прыгающих бобов в том, что у них почти нет вычислительных мощностей или сенсоров. Внутри боба мексиканского кустарника некрупная моль заселяет личинку, которая подвешивает себя на сети шёлковых ниток к внутренней оболочке боба. Если Солнце нагревает боб, личинка может оказаться обезвоженной и погибнуть. Поэтому при нагревании бобы «прыгают» или «катятся», фактически становясь транспортными средствами личинок. В первом случае личинка удерживается на внутренней поверхности одним концом своего тела и ударяет по этой же поверхности другим концом. Чтобы катиться, она поступает как хомяк в колесе, только не в спортивных, а в транспортных целях: быстро перебирает ложноножками, стоя на месте внутри боба, и заставляет округлую оболочку перекатываться. Чем выше температура, тем выше прыгучесть, позволяющая двигаться быстрее перекатывания: при 45 ˚С боб подпрыгивает 40 раз в минуту, перекатываясь (благодаря округлой форме) после прыжка.

Робототехнике подходит как раз последний вариант: у личинки нет глаз или ушей, да и через стенки боба всё равно ничего не видно. Строго говоря, она «понимает» только ИК- и УФ-излучение, причём опосредованно, через чувство тепла. При этом, подпрыгивая, она при относительно небольшом количестве прыжков быстро находит тенистое место, где продолжает ждать весну. И всё это притом, что личинка в прямом смысле прыгает наобум. Робот, который мог бы отслеживать наличие тех или иных факторов (от градиента тепла до радиоактивного излучения и радиопередач врага), используя самый минимум вычислительных возможностей и всего один сенсор, бесспорно, был бы весьма желателен в ряде областей, включая, например, оборону или научные исследования.

Но сначала исследователи изучили алгоритмы передвижения прыгающих бобов. В опыте использовались те же средства, что и в мексиканской азартной игре с этими бобами, — раскаляемые в процессе «гонок бобов» стальные формы для выпекания хлеба, подогреваемые с одного конца («старт») и холодные с другого («финиш»).

Несмотря на то что все бобы двигаются одинаково, казалось бы, случайно подпрыгивая и перекатываясь, к финишу они приходят в разное время, перемещаясь с разной скоростью. В общем, случайность, как это часто бывает, оказалась заранее просчитанной. А ведь бедные мексиканцы устраивают азартные игры с денежными ставками на таком «рэндомном» фундаменте! По словам исследователей, на самом деле движение бобов статистически довольно предсказуемо. Из 550 движений дюжины бобов, участвовавших в опытах, 85% составили прыжки, 14% — перекатывание и 1% — кувырки, сочетающие в одном движении качение и подпрыгивание.

Разрезанные бобы с личинкой внутри.

Алгоритм в целом оказался развёртыванием в пространстве известного алгоритма «Эмпайр-Стейт-Билдинг» (чтобы найти человека на неизвестном этаже, вы едете на 51-й, выясняете, ниже или выше ваше находится цель, затем попадаете на 25-й или 76-й, и так далее). Чтобы выбрать самое холодное место, делается прыжок №1. Если температура снизилась, начинаются прыжки на меньшую дистанцию или перекатывания. Если наоборот — снова следует прыжок на большую дистанцию. Если после прыжка №2 температура окажется выше, чем после прыжка №1, начинается движение назад, но не прыжком, а перекатыванием, с меньшей скоростью… При всей внешней простоте схемы оказалось, что какие-то бобы следуют ей точнее, раньше приходя к финишу, а какие-то относятся к делу более халатно, спустя рукава.

По словам разработчиков алгоритма, они уже опробовали его на серийном колёсном роботе и пришли к выводу, что система весьма перспективна. Теперь они собираются заняться разработкой нового микроробота, основывающегося на алгоритме прыгающих бобов. По словам исследователей, такой робот может быть не сантиметровым в диаметре, как оригинал, а гораздо меньшим и при этом нуждающимся лишь в самой элементарной электронике и нетребовательным к энергоснабжению.

Результаты исследования опубликованы в журнале Bioinspiration and Biomimetics.