Исследователи хотели создать роботизированный материал, который был бы жестким и прочным, но при этом мог трансформироваться. В идеале такие материалы должны реагировать не на внешние, а на внутренние сигналы, уметь принимать и сохранять форму, а также целенаправленно перетекать в новую. В поисках идей ученые обратились к изучению формирования живых эмбриональных тканей. Эти ткани считаются одними из самых умных материалов благодаря их уникальным свойствам: они способны к самоформированию, самовосстановлению и даже регулированию своей прочности в зависимости от пространства и времени. Это происходит благодаря способности клеток переключать ткани между жидким и твердым состояниями — процесс, известный в физике как фазовые переходы жесткости.

В процессе эмбрионального развития клетки демонстрируют удивительную способность к самоорганизации, превращаясь из однородной массы в сложные структуры — конечности, кости и мозг. Исследователи, стремящиеся создать подобные материалы, сосредоточились на трех ключевых биологических процессах, обеспечивающих это преображение. Во-первых, это активное взаимодействие клеток, которые, прилагая друг к другу силы, способны перемещаться и перестраиваться. Во-вторых, биохимическая сигнализация, позволяющая клеткам координировать свои движения в пространстве и времени. И, наконец, их способность прилипать друг к другу (адгезия), обеспечивающая жесткость и стабильность окончательной формы организма.

В случае с роботами внутриклеточные силы, обеспечивающие движение клеток, заменили на взаимодействия между блоками. Восемь моторизованных шестерен на каждом роботе позволяют им двигаться и отталкиваться друг от друга даже в ограниченном пространстве. Вместо биохимических сигналов используется глобальная система координат. Световые датчики с поляризационными фильтрами на каждом роботе определяют направление вращения шестерен и, следовательно, изменение формы. Все роботы могут одновременно получить команду под действием светового поля и действовать согласованно. Магниты, встроенные в роботов, имитируют межклеточную адгезию, позволяя им притягиваться друг к другу.

Эксперименты показали, что сигналы, которые получают роботы, напрямую влияют на их способность принимать разные формы и выстраиваться в нужные структуры. Этот процесс похож на то, как в живых эмбрионах колебания сил, создаваемых клетками, позволяют тканям переходить из твердого состояния в жидкое. Взаимодействие между колебаниями сигналов и силами, действующими между роботами, определяет, будет ли группа роботов плотной и неподвижной или более гибкой. Чем сильнее колебания, тем выше текучесть роя, что позволяет ему легко трансформироваться. Как только нужная форма достигнута, колебания отключаются, и конфигурация фиксируется. Во время этого процесса роботы затрачивают меньше энергии, чем при постоянном сигнале и непрерывном взаимодействии.

В итоге исследователи научили группу действовать как единый умный материал. В некоторых частях активировались динамические силы между роботами, что позволяло им «разжижаться», в то время как на других участках блоки сцеплялись друг с другом, образуя жесткую структуру. Управляя этими режимами, ученые создали роботизированные материалы, способные выдерживать большие нагрузки, менять форму, манипулировать объектами и даже самовосстанавливаться.

Экспериментальный рой роботов пока состоит из 20 крупных блоков, но можно создать гораздо больше миниатюрных устройств, что сделает систему более похожей на сплошной материал. Авторы статьи полагают, что подобные системы могут быть полезны не только в робототехнике, но и для изучения фазовых переходов в активной материи, механики частиц, а также в биологических исследованиях.