Природный роевой интеллект удивляет своей эффективностью и координацией. Птицы сбиваются в стаи для поиска пищи, рыбы образуют косяки для защиты от хищников. Но воспроизведение такого самоорганизующегося поведения в искусственных роях долгое время оставалось серьезным вызовом для ученых.
Косяки рыб и стаи птиц вдохновили ученых на создание «роевого интеллекта» роботов
Исследователи из Университета Радбауд и Нью-Йоркского университета разработали новый подход к управлению роботизированными роями, основанный на геометрических принципах и вдохновленный поведением птиц и рыб.
Роботы, способные развивать «искусственный роевой интеллект». Luco Buise.
Рыбы собираются в косяки, следуя трем простым правилам: держаться рядом с соседями, но не слишком близко (избегать столкновений), двигаться в том же направлении, что и окружающие рыбы, и стремиться к центру группы. Каждая рыба реагирует только на ближайших соседей в радиусе нескольких длин тела. Эти локальные взаимодействия создают сложное коллективное поведение всего косяка без централизованного управления. Ученые в новой работе оттолкнулись от той же идеи — локального взаимодействия.
Главная проблема заключалась в создании децентрализованного механизма управления, который позволил бы роботам работать вместе как единая группа без общего руководящего центра. Исследователи решили эту задачу, разработав набор геометрических правил управления роями, основанных на природных вычислительных принципах, аналогичных положительным и отрицательным зарядам протонов и электронов. Эти локальные взаимодействия позволяют роботам координировать сложное коллективное движение. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Кривизна» локального взаимодействия
Конструкция роботов с различной кривизной, использованная в исследовании.
Ученые дали каждому роботу определенное значение «кривизны» — внутренний «заряд», которое заставляет робота изгибать направление движения в ответ на внешнюю силу. Каждому роботу присваивается положительное или отрицательное значение кривизны, и это значение контролирует способ его взаимодействия с другими роботами в группе.
«Эта кривизна управляет коллективным поведением роя, что указывает на потенциальную возможность контролировать, будет ли рой собираться в стаи, течь или кластеризоваться», — объясняет соавтор работы Стефано Мартиниани.
В серии экспериментов исследователи успешно продемонстрировали работу новой системы. Оказалось, что критерий на основе кривизны контролирует притяжение пар роботов друг к другу, а этот принцип естественным образом масштабируется для управления движениями тысяч роботов. Более того, правило может быть непосредственно встроено в механическую конструкцию робота (например конструкцию колес).
Роботы собираются в кластеры. Цифровая модель.
Геометрические правила могут применяться как для крупных промышленных и складских роботов, так и для микроскопических, предназначенных для медицинских процедур, включая доставку лекарств. Новые правила управления роями основаны на простой механике, что делает их достаточно простыми для реализации в физических роботах.
«Одна из главных проблем проектирования роботизированных роев — найти децентрализованный механизм управления», — отмечает соавтор работы Матан Я Бен Цион. Координированное движение роботов может улучшить поисково-спасательные операции и обнаружение лесных пожаров, открывая новые возможности для практического применения роевого интеллекта.