蜜蜂、螞蟻和白蟻在沒有藍圖、建築師或施工監督的情況下，建造出複雜的結構。這些昆蟲的群體依賴於局部線索，如溫度、氣味或材料的存在，而非中央計劃，來生產精緻的巢穴。
每隻昆蟲獨立行動，對其周圍環境作出反應。然而，它們的集體行動卻形成了精確且常常美麗的建築。
受這種自然效率的啟發，賓夕法尼亞大學的工程師們開發出一種遵循相同去中心化邏輯的機器人群體策略。該團隊設計了數學規則，使微型機器人能夠僅根據周圍環境自我組裝成類似蜂巢的結構，而不需要任何自上而下的指令或詳細計劃。
“雖然我們所做的只是第一步，但這是一種新的策略，最終可能會導致製造領域的新模式。”機械工程與應用力學系副教授 Jordan Raney 表示。
這一系統不同於傳統製造，並不依賴於每一步的編寫。研究人員專注於當局部行為在平行重複時，如何導致整體結構的形成。機器人並不知道自己在建造什麼，只是對周圍條件作出反應。
“沒有預先編寫的腳本，沒有集中計劃。每個機器人只是對其周圍環境作出反應。” GRASP 實驗室的聯合作者和主任 Mark Yim 如是說。
這種去中心化的方法與昆蟲群落的運作方式相似，使系統具有彈性。如果一隻機器人失敗，其餘的仍然可以繼續建造，從而在不可預測的環境中保持靈活性。
為機器人群體行為進行微調，團隊模擬了數千種情況，以找出哪些規則最能促進有用的行為。研究人員調整了一小組變量，如速度、轉向角度和停止距離，測試機器人如何彼此互動以及與周圍環境的相互作用。
“我們變化轉向角度等參數的越多，最終結構的變化就越大。”Yim 表示。這種變化被證明是有價值的。“我們基本上找到了一個杠杆，可以讓您改變最終結果的幾何形狀，這可能影響其抗裂性。”Raney 補充道。
賓夕法尼亞大學的早期研究顯示，向蜂巢格子中添加無序可以增加其韌性。這項工作基於該見解，顯示群體行為可以自動產生這種有益的無序。
目前團隊仍處於模擬階段，但已經建造了早期的物理原型，並致力於改進虛擬系統如何轉化為現實條件。
“在我們的早期模型中，我們想像機器人像迷你 3D 打印機一樣以直線鋪設材料。”Yim 說。“但這可能不是最實用的方法。一個更好的方法可能是使用電化學，讓機器人在自己周圍生長金屬結構。”
這項研究標誌著建築思維的根本轉變，從僵化的規劃轉向自發的行動。系統通過簡單、重複的行為讓結構自然形成，取代了設計和執行詳細步驟的方式。
該研究已發表在《Science Advances》期刊上。
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