Учените нерядко се обръщат към природата, когато търсят решение на някакъв проблем или просто вдъхновение. Именно такъв е случаят със SWARM роботиката, която в момента предизвиква нещо като революция в сферата на иновативните технологии.
Както името й подсказва („swarm“ на английски означава „рояк“), този вид роботика е вдъхновена от живи същества, които действат като едно цяло. Едни от тях са насекомите – и в тази статия ще разкажем за тях, без да се фокусираме върху ролята на някои от тях като вредители. Материалът се базира на информация в авторитетни източници като BBC и ScienceDirect.
Съдържание
Насекомите, вдъхновили SWARM роботиката със своя колективен интелект
В основата на SWARM роботиката е идеята множество малки единици, които действат заедно, синхронно и автономно за постигане на общи цели, без едноличен лидер. Но тази концепция не е нова. Тя съществува от милиони години в животинското царство, включително това на насекомите.
Когато мравките решават къде и как да построят мравуняк, те нямат архитект, нито друга фигура, която да вземе това решение. Царицата също няма думата – нейната функция е чисто репродуктивна. Когато колонията воюва с друга колония, тя няма генерал, който да ръководи битките. И въпреки това, мравките се справят прекрасно с подобни ситуации.
А знаете ли, че пчелите координират търсенето на храна в кошера чрез специален танц (waggle dance)?
Пчелите-работнички общуват помежду си с „езика на тялото“ – изпълняват специфични полети в кошера, за да навигират другите от колонията към източници на храна, вода или ново място за гнездене. Но това не е всичко. Останалите се включват в танца, за да изразят своето мнение за най-добрия маршрут.
Това е може би най-ясният биологичен пример за колективно вземане на решения – принцип, който се прилага в съвременните демокрации и в swarm алгоритмите за оптимизация и координация.
Въпросът е: как тези малки насекоми постигат всичко това?
Всяко насекомо върши работата, която му е отредена. Това, което им липсва откъм размер, компенсират с бройка. И с постоянство. Социалните насекоми от една колония комуникират помежду си и действат заедно, като един „суперорганизъм“.
Този феномен се нарича колективен интелект и се наблюдава както при социалните насекоми от разред Ципокрили (Hymenoptera) – каквито са мравките, осите и пчелите, така и при други животински видове.
Понеже тези насекоми са физически дребни и уязвими, оцеляването им зависи не от отделния индивид, а от колонията като цяло. С други думи, колективният интелект при тях е необходимост и вероятно възниква в следствие на еволюционна адаптация. С течение на милиони години те развиват високо ниво на социална организация, при което всяко насекомо изпълнява строго определена роля, а съвместните им действия се се координират въз основа на някакъв вид комуникация – химическа, тактилна или механична (танцът на пчелите).
Така, заедно насекомите създават изключително адаптивна и ефективна система — естествен аналог на груповата (SWARM) роботика.
SWARM роботиката: принципи, начин на управление, приложения
SWARM е сравнително ново направление в роботиката, чиято идея е проста, но революционна: вместо един голям робот с централно управление, множество малки, автономни роботи да работят заедно, като координират действията си за изпълнение на общи задачи.
Идеята е вдъхновена от социални насекоми, ята птици и пасажи риби – същества, които демонстрират забележителен колективен интелект.
Как работи технологията? Всеки робот в Swarm системата е снабден с микроконтролер (където са внедрени алгоритмите – правилата неговото поведение), софтуер за обработка на сензорни данни и комуникационен модул. Роботите обменят информация помежду си чрез локална мрежа (тип mesh), без нужда от централен контролен пункт. Разбира се, те притежават и батерии, и механизми за придвижване в зависимост от средата, за която са предназначени.
В зависимост от предназначението си, swarm роботите могат да бъдат оборудвани и с камери, а в много от системите се интегрира и изкуствен интелект (AI). Той се използва основно в обработката на сензорните данни и координацията на роботите, така че групата да реагира адаптивно на промените в средата.
Въпреки че swarm системите се определят като автономни, тяхната автономност е относителна и контролирана от оператор. Всеки робот взема определени решения въз основа на сензорни данни и комуникацията с останалите на база на вградените в него алгоритми. Алгоритмите за груповото управление на роботите, разбира се, са предварително зададени от човек (програмист).
Управлението на swarm системите следва модела human-in-the-loop — операторът определя глобалната цел, параметрите на средата и критериите за успех, докато групата роботи реализира задачата чрез децентрализирана координация.
Именно заради тези свои специфики, swarm роботиката има три основни предимства: устойчивост, гъвкавост и мащабируемост. Ако някои роботи се повредят например, системата продължава да функционира, тъй като останалите единици се адаптират към променящата се среда. Ако има нужда да се увеличи броят на роботите в системата, без да е необходимо а се препрограмира.
Този вид роботика вече намира приложение в различни сфери – от индустрията и логистиката до еко мониторинг и военни технологии.
Китайската компания DJI например прилага принципите на груповата роботика за синхронната работа на десетки дронове. Координирани чрез специализиран софтуер, те могат да патрулират горски или индустриални територии, да откриват пожари, незаконна сеч или наводнения и да се връщат сами за презареждане. Такива автономни мисии вече се прилагат експериментално в Китай и Южна Корея.
Подобни swarm дронове вече се използват или тестват за военни цели: от автономни разузнавателни мисии до нападения с безпилотни летателни апарати (UAVs).
Друго интересно практическо приложение на „интелекта на рояка“ намира канадската компания Attabotics, чиято система за автоматизирани складове е вдъхновена от вертикалните тунели на мравките-листорези. Стотици малки роботи се движат напред-назад и нагоре-надолу из склад, за да вземат и поставят стоки от стелажите. Резултатът е минимизиране на складовото пространство с 85% и значителна оптимизация в процеса на работа.
—
SWARM роботиката е още един пример за това как и най-иновативните технологии често са вдъхновени от природата. Понякога и от малки насекоми като мравките и пчелите. Макар поотделно всяко едно от тези насекоми да е просто устроено, заедно колонията е способна на чудеса – също като роботите в съвременните swarm системи.
