模型开发来帮助同步机器人，无人机

想象一个精准医疗的世界，一群微型机器人直接向患病细胞输送有效载荷的药物。或者空中或海上无人机可以集体调查一个地区，同时交换关于其位置的最小信息。

实现这种技术的一个早期步骤是能够同时模拟群集行为和同步时间——例如，在黏菌、精子和萤火虫中发现的行为。

2014年，康奈尔大学的研究人员首次引入了一个简单的群集振荡器(swarm oscillator)模型，其中粒子自组织，在时间和空间上同步。在研究中，“非均匀手性和非手性群集的不同行为他们扩展了这个模型，使其对工程微型机器人更有用，更好地理解现有的、已观察到的生物行为，并让理论家在这一领域进行实验。

“我们想要一个简单的数学模型，可以为一般的蜂群奠定基础，它可以捕捉到我们在自然和工程蜂群中看到的所有复杂的紧急现象，”该论文的高级作者、助理教授、康奈尔工程电气与计算机工程系的Aref和Manon Lahham教员研究员Kirstin Petersen说。

史蒂文·塞隆博士，22岁，彼得森实验室的前研究生，是论文的第一作者，凯文·奥基夫博士，17岁，前应用数学研究生，是合著者。

O 'Keeffe将这个模型与俄罗斯玩偶中最大的玩偶进行了比较，每个较小的玩偶代表了能够模拟更精细行为的模型。他说:“我们试图提出一个尽可能简单的模型，希望能捕捉到一般现象。”

研究人员简化了他们的模型，只用四个数学常数连接在一起就能产生各种各样的涌现行为，比如聚集、色散、漩涡、行波和弹跳簇。

新模型可以模拟自然界中的粒子，每个粒子都以不同的固有频率运行，因为一些物体在一个轨道上比其他物体移动得慢或快。研究人员还增加了手性，即粒子绕圈运动的能力，因为自然界中的许多例子，如精子，都是绕圈或漩涡运动。模型中的粒子表现出局部耦合，因此它们只感知并响应它们的局部邻居。

该模型的核心是将群集行为与时间同步相结合。自然界中蜂群的例子包括成群的鸟类或成群的野牛，个体作为一个群体一起移动。同步时间可以在心脏起搏器细胞中找到，它会发出一致的电脉冲，使心脏震动成有规律的重复跳动。精子同时代表了这两种现象，因为它们在集体游泳时可以齐声拍打尾巴。萤火虫也以成群飞行而闻名，同时同步闪烁。

奥基夫说:“这就是它们之所以成为群集者的原因，因为有两种自组织力量同时在进行。”

该模型并不试图模拟一个特定的现实世界的群集，如精子、无人机机器人或磁畴壁。相反，它试图为所有这些系统的共同行为建模——它的目标是一般性，而不是专一性。作为一个例子，该模型被证明可以复制微生物黏菌中的行为，这些黏菌可以作为单个细胞运作，但当饥饿时，它会聚集成一个蛞蝓，最终形成子实体。

彼得森说:“这些非常简单的耦合机制可以在功率、计算和内存资源非常有限的微型机器人群体上实现，尽管它们各自很简单，但它们可以一起工作，产生我们在模型中预测的复杂的群集行为。”

奥基夫说，未来的一个应用可能是精准医疗，微小的磁化不溶性颗粒可以聚集在一起，彼此同步，然后控制向需要治疗的组织输送有效载荷。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com。

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