РОБОТЫ, КОТОРЫЕ СБИВАЮТСЯ В КУЧУ, КАК ПИНГВИНЫ, ЧТОБЫ ПЕРЕЖИТЬ ЛУННУЮ НОЧЬ

Рои маленьких роботов — привлекательный способ исследовать лунные пещеры и лавовые трубки: если один потерян, миссия не обязательно проваливается. Например, миссия NASA CADRE отправит три маленьких взаимодействующих ровера, чтобы вместе картографировать Луну, — но только днём. Они рассчитаны на один лунный день и ночь не переживут.

Ночь длиной в 354 часа

Эта ночь длится около 354 часов, и поверхность остывает почти до 95 кельвинов, около −178 °C. Некоторые роверы её пережили: «Юйту-2» использует терморегуляцию с помощью радиоизотопов и возобновлял работу после лунных ночей, тогда как «Прагьян», рассчитанный на один лунный день, на связь больше не вышел. Однако радиоизотопные обогреватели не масштабируются на рой. Чтобы поддерживать обогреватель мощностью 2 ватта, нужно около 5 граммов диоксида плутония на робота, а производственная цель США — примерно 1,5 килограмма в год — рассчитана на крупные радиоизотопные системы флагманских миссий, а не на расходные роботы.

Анаис Егер (Anaïs Jeger) из Центра битов и атомов MIT и Группы перспективных концепций (Advanced Concepts Team) Европейского космического агентства вместе с Гарри Холтом из той же группы и Леннартом Пуком из Лаборатории планетной робототехники ЕКА задались другим вопросом: могут ли роботы использовать тела друг друга как тепловой щит?

Одна оценка, выставляемая на рассвете

В их симуляции двадцать роботов проводят вместе целую лунную ночь. Каждый поддерживает себя при 0 °C с помощью обогревателя, пока хватает запасённой энергии; после этого он остывает, а ниже −40 °C считается погибшим. Скорость потери тепла зависит от его открытости небу: какую долю открытого неба он видит — от 1 для одиночного робота до 0 для окружённого соседями. В одиночку робот излучает 1,92 ватта.

Все двадцать роботов работают на одной и той же небольшой нейросети. Каждый видит только локальную информацию — собственные температуру, энергию и открытость, где находятся соседи и как у них дела — и выдаёт направление движения. Сеть обучали «эволюционными стратегиями» (evolution strategies): пробуют множество слегка изменённых копий, затем сдвигают общие параметры в сторону тех, что набрали лучшую оценку, и повторяют.

Оценка намеренно скупа. Она приходит один раз, в конце ночи: средняя температура пяти самых холодных роботов. В ней ничего не говорится о положении, расстояниях, открытости или движении.

Пингвины — без подсказки

Тем не менее возникли две формы поведения. Начав с разбросанных позиций, рой собирается примерно за пять часов. Потом он так и не успокаивается: роботы непрерывно циркулируют между защищённым ядром и открытым краем. Авторы отмечают, что это та же пара форм поведения, с помощью которой императорские пингвины переживают антарктическую зиму: они сбиваются в кучу и постоянно меняются местами между холодной периферией и защищённым центром. Пингвины подсказали вопрос; за подражание им роботов никогда не поощряли.

Разницу создаёт именно циркуляция. Написанное вручную правило, которое лишь заставляет роботов клониться внутрь и никогда не выталкивает их обратно наружу, формирует такую же кучу, но край всю ночь остаётся холоднее ядра, и в одном тестовом прогоне девять роботов из двадцати погибли. В ходе обучения усреднённая по времени открытость робота в самом невыгодном положении упала примерно с 0,71 до 0,26, приблизившись к среднему по рою 0,23, — хотя открытость не входит в оценку.

При этом роботы не носятся туда-сюда: в среднем они проходят 4,3 метра в час, тогда как при безостановочном движении с заданной скоростью прошли бы 54: большую часть времени они стоят на месте и перемещаются короткими рывками, а их суммарное смещение за всю ночь меньше метра.

Сколько энергии достаточно

Авторы измерили порог выживания: наименьший запас энергии на робота, при котором к восходу солнца живы все роботы, на десяти начальных расстановках, не встречавшихся при обучении. Они выражают его в единице, которую называют pcm-h; она равна 7,2 килоджоуля — столько потребляет обогреватель мощностью 2 ватта за час.

• Роботы, оставленные разбросанными: 328,5 pcm-h.
• Куча, которая стоит неподвижно: 246,0 pcm-h.
• Обученный рой, по сводке десяти обучающих прогонов: 155,6 ± 1,3 pcm-h.

Это на 37% меньше, чем у неподвижной кучи, и всего на 12,7% выше нижней границы, заданной одной лишь физикой (138,1 pcm-h): энергии, нужной, если бы все двадцать роботов поровну делили открытость самой плотной возможной упаковки. При 163 pcm-h неподвижная куча теряет шесть роботов; циркулирующий рой сохраняет всех двадцать.

Ещё одно простое правило, написанное вручную, справилось почти точно так же — 154,5 pcm-h: каждый робот слегка клонится внутрь, а тот, у кого меньше всего энергии среди тех, кого он касается, изо всех сил пробивается к ядру.

Требований меньше, чем ожидалось

Поведение сохраняется, когда убирают отдельные элементы. Без общего ориентира, по которому можно держать направление, порог почти не меняется: он остаётся между 154,3 и 156,7 pcm-h в зависимости от начальной расстановки против 155,4–155,7 с ориентиром, хотя роботы двигаются больше. Сеть без памяти обходится примерно на 3% дороже по энергии. Обученные на двадцати роботах, те же сети управляют роями из тридцати и сорока роботов без переобучения, требуя на 5,0% и 8,0% меньше энергии на робота — против 5,5% и 10,7% для физической границы.

Роботам даже не нужно касаться друг друга. Если заставить их держаться в 25 миллиметрах друг от друга, все они по-прежнему переживают ночь с теми же сетями, затрачивая примерно на 13% больше запасённой энергии, потому что в щите теперь есть щели.

Колёса на лунном грунте

Всё здесь происходит в симуляции. Роботы перемещаются всю ночь, а значит, 354 часа колёса работают против лунного реголита (рыхлой пыли и камней, покрывающих поверхность). Модель не учитывает ни износа, ни изменений трения или контакта. Выдержат ли колёса и корпуса целую ночь такого перемалывания — авторы называют это главным открытым вопросом, — пока не проверено.