Как заставить стаю дронов двигаться слаженно, без единой команды с земли, перестраиваясь на лету в стройные геометрические фигуры? Ответ на этот вопрос нашли ученые из Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. В своем исследовании они показали, что рой мобильных агентов может сам собой выстроиться в цепочку, плотный фронт или даже квадрат — достаточно лишь правильно настроить параметры их движения. А если потребуется рассредоточить такую стаю, у физиков есть и способы «усыпить» ее или заставить распасться.
Секрет в том, что исследователи заставили своих «агентов» двигаться не по прямой, а по сложным, непредсказуемым — хаотическим — траекториям. В качестве «мозга» для каждого дрона выступили знаменитые уравнения Рёсслера и Лоренца, те самые, что описывают погоду или турбулентность. Каждый агент пляшет свой собственный хаотичный танец. Но как только два таких «танцора» подходят достаточно близко друг к другу, между ними включается связь. И здесь начинается самое интересное.
Оказывается, манипулируя всего двумя параметрами — разницей в скоростях (как быстро агент «танцует») и разницей в амплитуде (насколько широко он машет крыльями), — можно заставить весь рой выстроиться в нужную конфигурацию. Если у агентов немного отличаются скорости, но одинаковая амплитуда, они выстраиваются в колонну и двигаются последовательно, буквально наступая друг другу на пятки. Если же наоборот, у них одинаковая скорость, но разная амплитуда, они синхронизируются по фазе и летят единым строем. А если каждому задать уникальную комбинацию этих настроек, то рой сам собой сложится в квадрат или любую другую фигуру, которую ему «задали» через эти параметры.
Авторы исследования даже выяснили, как ускорить этот процесс. Оказалось, что если заставить агентов двигаться по более «рваному», неаккуратному хаотическому пути (так называемый аттрактор-воронка), они договариваются между собой и выстраиваются в строй гораздо быстрее, чем их более упорядоченные собратья. Видимо, чем быстрее агент мечется, тем быстрее он находит общий язык с соседями.
Но у любой системы есть и обратная сторона. Что делать, если рой стал неуправляемым и его нужно срочно рассредоточить? И тут у физиков есть ответ. Один из предложенных способов десинхронизации звучит почти как детективная история: если взять рой из десяти агентов и задать каждому из них свою, сильно отличающуюся скорость (например, от 1 до 2,8 условных единиц), а связь между ними оставить сильной, то они не сойдутся, а… погасят друг друга. Колебания замрут, и все агенты одновременно застынут в состоянии покоя. Это как если бы шумная толпа, в которой каждый кричит каждый свое, вдруг дружно охрипла и замолчала.
Кроме того, ученые проверили, насколько живучи такие «роботизированные» коллективы. Оказалось, что случайное удаление нескольких дронов из строя не страшно — оставшиеся просто сдвинутся и заполнят пустоты. А вот если начать вынимать «кирпичики» из центра, рано или поздно структура развалится на отдельные кластеры, которые продолжат двигаться сами по себе.
Так что, возможно, будущее за беспилотниками, которые не ждут приказов, а сами договариваются о маршруте, используя законы хаоса. Главное — вовремя знать, какую им задать настройку, чтобы вместо стройного квадрата они не начали хаотично метаться или, того хуже, не «заснули» на лету.
Исследование опубликовано в журнале «Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика»
