自主机器人集群协同运输的力学途径

协同运输是一种引人注目的现象，其中多个代理联手运输对个体而言过重的有效载荷。虽然像蚂蚁这样的社会性动物经常被观察到在大规模上协调运输，但在人工集群中重现这种效应仍然具有挑战性，因为它需要在嘈杂的多体系统中进行同步。在这里，我们展示了协同运输在随机自驱动机器人集群中自发出现。被剥夺了感知和通信能力的机器人在被动圆形有效载荷周围各向同性地初始化，在没有外部线索的情况下不应期望有定向运动。然而它确实移动了。我们发现，对单个代理的机械设计进行微小的修改会极大地改变其对外力的对齐响应。随后，我们通过实验表明，通过控制个体的摩擦和质量分布，活性粒子集群可以自主合作定向运输更大的物体。令人惊讶的是，运输能力随着有效载荷尺寸的增加而增加，其持久性超过了活性粒子的持久性一个数量级以上。一种力学的粗粒化描述表明，力对齐是内在的，并由一个具有曲率单位的带符号类电荷参数捕获。对具有负活性电荷的活性粒子集群的数值模拟证实了实验发现。我们解析推导出了协同运输的几何判据，该判据源于非线性动力系统中的分岔。我们的发现推广了现有的活性粒子模型，为分布式机器人系统提供了新的设计规则，并阐明了自然集群中的合作机制。