في الطبيعة، يبني النحل والنمل والأرضات عشًا رائعة من خلال ردود الفعل الجماعية للعمال أو الذكور على إشارات مثل درجة الحرارة أو مواد البناء، دون الحاجة إلى مخططات أو تخطيط مركزي. اليوم، استوحى باحثو كلية الهندسة بجامعة بنسلفانيا من ذلك، وطوروا قواعد رياضية تسمح لسرب افتراضي من الروبوتات الدقيقة في التماثيل الحاسوبية ببناء هياكل مشابهة للخلايا الشمعية دون اتباع أي خطة، وحتى دون فهم الخطة، مما يفتح إمكانيات جديدة للتصنيع.

قال جوردان راني، أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية، ومؤلف مشارك كبير في الورقة الجديدة المنشورة في Science Advances: "رغم أن البحث الحالي خطوة أولى، إلا أن هذه الاستراتيجية الجديدة قد تقود إلى نموذج تصنيعي جديد." التصنيع التقليدي، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، يعمل خطوة بخطوة وفقًا لتعليمات دقيقة، وهو عملية هشة حيث يمكن أن يدمر خطأ بسيط العملية بأكملها. أما الاستراتيجية الجديدة فهي أكثر قوة، لا تتوقف بسبب خطأ روبوت واحد، وأكثر تكيفًا، مما يسمح ببناء هياكل معقدة في الموقع.

يعتمد الهندسة البشرية من العصور الحجرية إلى محطات الفضاء على التخطيط، حيث يُتصور النتيجة النهائية أولاً ثم يُصمم البناء خطوة بخطوة، وكذلك الطباعة ثلاثية الأبعاد. لكن طريقة فريق بنسلفانيا مختلفة، إذ تتجنب هذا النموذج التقليدي. قالت روزينا بايتشي، مديرة مختبر الروبوتات العامة والآلية والاستشعار والإدراك (GRASP)، ومؤلفة مشاركة كبيرة أخرى في الورقة، ومارك ييم: "لا توجد نصوص مبرمجة مسبقًا أو خطط مركزية، كل روبوت يتفاعل فقط مع بيئته المحيطة. لا يحتاج الروبوت الفردي إلى معرفة الصورة الكلية، وحتى لو تعطل بعض الروبوتات أو انحرفت عن الطريق، يستمر البناء. علاوة على ذلك، تعمل جميع الروبوتات في وقت واحد، مما قد يجعل العملية أسرع في المستقبل، وأقوى في مواجهة أعطال الروبوتات الفردية."

رغم الإلهام من الطبيعة، لم يحاول الباحثون تقليد سلوك بناة الطبيعة مثل النحل والنمل بدقة، ولم يبحثوا في الدماغ عن خوارزميات التعلم كما يفعل بعض باحثي الذكاء الاصطناعي. ركزوا على مبدأ أعمق في الطبيعة، وهو أن تكرار السلوكيات البسيطة يمكن أن يخلق أشياء معقدة ومفيدة. قال راني: "نريد نظامًا ينشأ فيه الهيكل من السلوك، حيث يتبع الروبوتات قواعد محلية صحيحة دون معرفة ما يبنونه. التحدي يكمن في تحديد هذه القواعد، فهناك طرق عديدة لبرمجة الروبوتات للتفاعل مع بيئتها، ويجب تضييقها إلى قواعد بسيطة لكنها مفيدة."

ركز الفريق على حل عدة مشكلات أساسية، مثل رد الفعل عند اصطدام الروبوت بجسم بناه روبوت آخر، وزاوية الدوران، ومسافة المشي، مما أنتج عشرات المتغيرات. درس الباحثون هذه المتغيرات في عمليات محاكاة متعددة، وعدلوا القواعد الهامة من خلال محاكاة نشاط الروبوتات. اكتشفوا في النهاية أن درجة الفوضى في النظام تؤثر بشكل حاسم على الهيكل النهائي، حيث يزيد تغيير المتغيرات من تغير الهيكل النهائي. في الهياكل الخلوية، يمكن أن يعزز إضافة بعض الفوضى القدرة على التحمل، واكتشف الفريق "رافعة" لتغيير الشكل الهندسي النهائي للتأثير على مقاومته للتشقق.

رغم أن الفريق قد صنع نموذجًا أوليًا، إلا أنه لا يزال بعيدًا عن صنع سرب روبوتات حقيقي. يخططون لتحديث نظام المحاكاة أولاً ليعكس عمل الروبوتات الدقيقة في العالم الحقيقي بشكل أفضل. كان النموذج المبكر يتخيل الروبوتات كطابعات ثلاثية الأبعاد مصغرة تضع المواد في خطوط مستقيمة، لكن ربما تكون الطرق الكهروكيميائية أكثر عملية لنمو هياكل معدنية حول الروبوتات نفسها. لتحقيق ذلك، يحتاجون إلى تقدم في صناعة روبوتات دقيقة قادرة على الحركة والإدراك والتفاعل مع المواد. ومع ذلك، يعتقد الفريق أن المفهوم نفسه يمثل تقدمًا هامًا، ويأملون أن يدفع الناس للتفكير بطرق جديدة في بناء الأشياء، مستلهمين من الطبيعة كيف تتحد الأفعال الدقيقة العديدة لتشكل مشاهد كبيرة.