"Inteligentny piasek" z filmów fantasy

Wyobraźmy sobie, że do skrzyni z piaskiem wkładamy jakiś przedmiot, np. filiżankę, a po chwili wyjmujemy jego dokładną kopię. Piasek samoczynnie połączył się tak, by stworzyć pożądany kształt. Wizja rodem z literatury fantasy oraz... laboratoriów MIT-u.

W maju podczas IEEE International Conference on Robotic and Automation naukowcy z Distributed Robotics Laboratory wygłoszą odczyt na temat algorytmów, które umożliwią powstanie takiego „inteligentnego piasku“. Zaprezentują też wyniki swoich eksperymentów, podczas których testowali swój pomysł na kostkach o objętości 1 cm3. Każdą z kostek wyposażono w procesor i magnesy na czterech bokach.

Uczeni z MIT-u proponują nowe podejście do rekonfigurowalnych robotów. Dotychczas pokazywano urządzenia, które łączą się ze sobą jak klocki. Tym razem pomysł polega na tym, by w jednym miejscu zgromadzić dużą liczbę miniaturowych robotów - to analogia do kamiennego bloku z którym pracę rozpoczyna rzeźbiarz - a te, komunikując się ze sobą zdecydują, które roboty będą potrzebne do utworzenia zadanego kształtu, a które „odpadną“ od całości.

„Inteligentny piasek“ ma być wielokrotnego użytku. Po spełnieniu swojego zadania będzie mógł powrócić do reszty robotów i tworzyć nowy kształt.

Z punktu widzenia techniki obliczeniowej największym problemem jest stworzenie algorytmu, który będzie działał przy bardzo ograniczonych zasobach. W obiekcie wielkości ziarna piasku zmieści się procesor o niewielkiej mocy obliczeniowej i niewiele pamięci. Naukowcy muszą więc dopilnować, by nawet pojedyncze bity informacji nie zostały zmarnowane. Najprościej byłoby przekazać do każdego ziarna informację o całym kształcie, który ma zostać zbudowany. Jest to jednak nierealne ze względu na ograniczone zasoby obliczeniowe ziaren.

Uczeni wpadli zatem na inny pomysł. Zadany obiekt ma zostać przedstawiony jako dwuwymiarowa siatka, a każde z ziaren ma za zadanie jedynie sprawdzić, czy jest ziarnem skrajnym czyli takim, któremu brakuje jednego z sąsiadów. Skrajne ziarna występują w dwóch miejscach - na końcach stosu ziaren oraz w miejscu, gdzie w piasek włożono modelowy kształt.

Gdy już skrajne ziarna się zidentyfikują, przesyłają informację na ten temat do innych ziaren. W ten sposób określany jest kształt, który należy skopiować. Algorytm automatycznie wylicza odległość, na jaką należy wysłać informację o kształcie tak, by włożony przedmiot oraz nowo tworzony kształt nie pokrywały się. Ponadto dzięki określaniu odległości, w bardzo prosty sposób można skalować wzorcowy przedmiot i tworzyć jego kopie zadanej wielkości. Po tym, gdy informacja dotrze do ziaren, które mają tworzyć kopię, pozostają one połączone, a reszta ziaren się od nich odłącza.