Введение
Координация нескольких роботов как системы
Роевая робототехника – это подход к координации нескольких роботов как системы, состоящей из большого числа преимущественно простых физических роботов. «В рое роботов коллективное поведение является результатом локальных взаимодействий между роботами, а также между роботами и окружающей средой, в которой они функционируют». Предполагается, что желаемое коллективное поведение возникает из взаимодействий между роботами и их взаимодействий с окружающей средой. Этот подход зародился на стыке области искусственного роевого интеллекта и биологических исследований насекомых, муравьев и других природных явлений, где наблюдается роевое поведение.
Определение
Исследования в области роевой робототехники посвящены изучению конструкции роботов, их физического воплощения и управляющих алгоритмов. Эта область вдохновлена, но не ограничивается, эмерджентным поведением, наблюдаемым у социальных насекомых, известным как роевой интеллект. Относительно простые индивидуальные правила могут приводить к широкому спектру сложных коллективных действий. Ключевым элементом является коммуникация между членами группы, формирующая систему постоянной обратной связи. Поведение роя включает в себя непрерывное изменение ролей отдельных роботов во взаимодействии друг с другом, а также поведение группы в целом. В отличие от распределенных роботизированных систем в общем смысле, роевая робототехника делает акцент на большом количестве роботов и способствует масштабируемости, например, за счет использования исключительно локальной связи. Такая локальная связь может быть реализована с помощью беспроводных систем передачи данных, таких как радиочастотная или инфракрасная связь.
Цели и применение
Миниатюризация и стоимость – ключевые факторы в роевой робототехнике. Это ограничения при создании больших групп роботов, поэтому следует акцентировать внимание на простоте каждого отдельного участника роя. Это должно стимулировать использование роевого интеллекта для достижения осмысленного поведения на уровне роя, а не на индивидуальном уровне. Значительная часть исследований направлена на достижение этой простоты на уровне отдельного робота. Возможность использовать реальное оборудование в исследованиях роевой робототехники, а не только симуляции, позволяет исследователям сталкиваться и решать больше проблем, а также расширять область исследований роя. Таким образом, разработка простых роботов для исследований роевого интеллекта является очень важным аспектом данной области. Цели включают в себя поддержание низкой стоимости отдельных роботов для обеспечения масштабируемости, снижение требований к ресурсам каждого члена роя и повышение их энергоэффективности. По сравнению с отдельными роботами, рой обычно может декомпозировать поставленные задачи на подзадачи; рой более устойчив к частичным отказам и более гибок в отношении различных миссий. Одной из таких систем является роботизированная система LIBOT, включающая в себя недорогого робота, разработанного для работы в условиях открытой среды. Роботы также оснащены возможностями для использования в помещении через Wi-Fi, поскольку GPS-датчики обеспечивают неустойчивую связь внутри зданий. Другой пример – микроробот (Colias), разработанный в лаборатории компьютерного интеллекта Университета Линкольна (Великобритания). Этот микроробот построен на круговом шасси диаметром 4 см и представляет собой недорогую и открытую платформу для использования в различных приложениях роевой робототехники.
Приложения
Потенциальных применений для роя роботов множество. Они включают задачи, требующие миниатюризации (нанороботика, микророботика), такие как распределенные сенсорные задачи в микромашинах или в организме человека. Одно из наиболее перспективных направлений использования роевой робототехники – поисково-спасательные операции. Рои роботов различных размеров могут быть отправлены в места, недоступные для спасателей, для исследования незнакомой обстановки и решения сложных лабиринтов с помощью бортовых датчиков. Более спорным является возможность создания автономной армии из роев военных роботов. Военно-морские силы США испытали рой автономных катеров, способных самостоятельно управлять и предпринимать наступательные действия. Катера беспилотные и могут быть оснащены любым оборудованием для сдерживания и уничтожения вражеских судов. Во время гражданской войны в Сирии российские силы в регионе сообщали об атаках на их главную авиабазу в стране роями беспилотных летательных аппаратов, несущих взрывчатку. Большинство разработок сосредоточено на относительно небольших группах машин. Однако в 2014 году Гарвард продемонстрировал рой, состоящий из 1024 отдельных роботов – самый крупный на сегодняшний день. Еще одна широкая область применения – использование роев микровоздушных аппаратов, которые также активно исследуются в настоящее время. В отличие от первых исследований роев летающих роботов с использованием точных систем захвата движения в лабораторных условиях, современные системы, такие как Shooting Star, позволяют управлять группами из сотен микровоздушных аппаратов в открытой среде с использованием систем GNSS (например, GPS) или даже стабилизировать их с помощью бортовых систем локализации в условиях отсутствия сигнала GPS. Рои микровоздушных аппаратов уже испытывались в задачах автономного наблюдения, отслеживания шлейфов и разведки в компактном строю. Проведено множество работ по кооперативным роям беспилотных наземных и воздушных аппаратов с целевыми приложениями, такими как совместный мониторинг окружающей среды, одновременная локализация и построение карт, защита конвоев, а также локализация и отслеживание движущихся объектов. Кроме того, достигнут успехи в применении автономных роев в области производства, известной как роевая 3D-печать. Это особенно полезно для создания крупных конструкций и компонентов, где традиционная 3D-печать ограничена размерами оборудования. Миниатюризация и массовое развертывание позволяют производственной системе достигать масштабно-инвариантности, не ограничиваясь эффективным объемом сборки. Хотя роевая 3D-печать находится на ранней стадии разработки, в настоящее время она коммерциализируется стартап-компаниями. Используя процесс быстрого индукционного 3D-печати металлом, компания Rosotics первой продемонстрировала роевую 3D-печать с использованием металлической нагрузки и единственная достигла металлической 3D-печати с воздушной платформы.
Беспилотник в рояле
Рои беспилотников используются для поиска целей, организации зрелищных представлений с дронами и доставки грузов. Зрелищные представления с дронами обычно включают использование множества подсвеченных дронов в ночное время для создания художественных образов или рекламных кампаний. Рой дронов при доставке может одновременно перевозить несколько посылок в один пункт назначения, преодолевая ограничения по грузоподъемности и времени работы батареи отдельных дронов. Рой дронов может выполнять различные схемы строя для снижения общего энергопотребления за счет уменьшения сопротивления воздуха. Управление роем дронов также может быть сопряжено с дополнительными сложностями, связанными с человеческим фактором и оператором роя. К ним относятся высокая когнитивная нагрузка и сложность взаимодействия с несколькими дронами из-за необходимости переключать внимание между отдельными аппаратами. Коммуникация между оператором и роем также является ключевым аспектом.
Акустические рои
В 2023 году исследователи из Университета Вашингтона и Microsoft продемонстрировали акустические рои крошечных роботов, создающих умные динамики с изменяемой формой. Их можно использовать для управления акустической обстановкой, чтобы фокусировать или подавлять звук из определенной области в помещении. Эти крошечные роботы взаимодействуют друг с другом посредством звуковых сигналов, без использования камер, для совместной навигации с точностью до сантиметра. Эти роевые устройства распределяются по поверхности, формируя распределённый и переконфигурируемый массив беспроводных микрофонов. Они также самостоятельно возвращаются на зарядную станцию для автоматической подзарядки.