От отдельных роботов к системе роботизированных суперорганизмов

Технологии и роботы

Большинство современных роботов работают изолированно. Скоординированное движение десятков роботизированных рук на заводах-изготовителях, сотен колесных роботов на складах или тысяч дронов в ночном небе ничем не отличается: каждый из этих роботов не знает о своих конспецифических особенностях и подчиняется приказам центрального компьютера, который не оставляет места для неожиданных взаимодействий или нежелательных инициатив других роботов-индивидуумов, не говоря уже о формирующемся коллективном поведении.

Однако роботизированные и биологические индивиды обладают ограниченной энергетической автономией, силой, восприятием и способностью принимать решения, когда они принимаются самостоятельно. Переход от одиночных индивидов к обществам был описан как один из восьми основных переходов в эволюции к более высоким уровням биологической сложности. Существует множество доказательств из биологии, что самоорганизованные группы индивидов с ограниченными возможностями могут действовать как суперорганизмы, которые более устойчивы к индивидуальным неудачам и более приспособлены к изменениям окружающей среды. И значит могут выполнять более трудные задачи и строить более сложные структуры.

Компьютерные ученые черпали вдохновение из принципов биологической самоорганизации взаимодействующих агентов с ограниченными возможностями, свободно обозначенных как рои(системы), для разработки распределенных и адаптивных алгоритмов, способных решать сложные, шумные и меняющиеся вычислительные задачи. Более поздняя область роевой робототехники имеет схожие научные корни и амбиции, как описано Робином Мерфи в своей статье о роевой робототехнике в научной фантастике, но физическое создание роботов приносит новые проблемы и возможности, которые специфичны для их масштаба воплощения и ситуативности. Четыре статьи в этом специальном выпуске посвящены двум аспектам системе роботов в разных масштабах: роли физических взаимодействий в роботах разных размеров и технических возможностей и роли общения между несколькими расположенными людьми в коллективном решении проблем.

Boudet. продемонстрируйте яркий пример такого перехода в масштабах аппаратного обеспечения. Они показывают группу примитивных роботов, которые индивидуально способны только к простому восприятию и движению. Однако, когда дюжина или около того этих роботов помещается внутри гибкой мембраны, их движение становится механически связанным. Вместе они могут заставить мембрану двигаться, деформироваться и вибрировать. Эта “надстройка”, состоящая из группы роботов и окружающей их мембраны, может выполнять задачи, которые ни один из отдельных роботов не может выполнить в одиночку. Например, надстройка может переносить объекты, пересекать препятствия как группа или следовать за источником света. Переход от одиночных роботов к небольшим замкнутым группам-это один переход. Теперь мы задаемся вопросом: что произошло бы, если бы эти надстройки были помещены в еще одну, еще большую мембрану? Что может сделать эта надстройка, чего не могут сделать более простые надстройки?

Другой пример механического перехода через масштабы продемонстрирован Озканом-Айдыном и др. Сначала демонстрируется простой робот, способный передвигаться. Каждый робот использует совместимые механизмы в качестве ног и суставов. Однако даже с такими придатками каждый отдельный робот иногда не может преодолеть определенные препятствия, такие как широкие промежутки и выступы, превышающие размах его собственной ноги, но когда несколько роботов объединяются в поезд, более крупный супер-робот может преодолеть препятствия, превышающие любого отдельного робота. Мы снова спрашиваем: что, если бы эти супер-роботы были объединены в еще одного, еще более крупного, супер–супер-робота? С новыми видами соединителей такие сетевые структуры, вероятно, смогут выполнять задачи, которые не мог выполнить более простой супер-робот.

Коммуникация дает преимущество обществам, поскольку она позволяет обмениваться информацией, которая может быть недоступна для некоторых людей. Таламали и др. рассмотрим популяцию роботов-разведчиков, которые должны как можно скорее определить местоположение лучших из сайтов, проблема, которая возникает в нескольких приложениях роевой робототехники, таких как поиск и спасение, добыча полезных ископаемых и мониторинг окружающей среды. Авторы показывают, что в физических средах, где лучший сайт может постепенно истощаться или может возникнуть новый лучший сайт, роботы более эффективны в поиске лучшего сайта, когда они уменьшают диапазон связи, тем самым уменьшая количество каналов связи, хотя и за счет более медленного достижения консенсуса. Сокращение каналов связи также удобно в физических роботах, где пакеты беспроводной связи, которые поступают одновременно, могут быть потеряны.

Кастелло Феррер и др. вместо этого решите проблему безопасности в роях роботов, где каждый робот является уязвимой точкой, тем самым создавая более высокий риск для большего размера роя. Например, один или несколько роботов могут быть украдены, а секреты миссии раскрыты, или могут быть взломаны, чтобы передать неверную информацию другим роботам, тем самым поставив под угрозу всю миссию. Авторы предлагают использовать деревья Меркла, форму древовидной структуры на основе хэша, для обмена информацией между ненадежными сторонами, которая используется в алгоритмах блокчейна. Идея состоит в том, чтобы дать каждому роботу только шаблон миссии без подробных сенсорно-моторных действий, хэш-ссылки которых должны быть обнаружены и переданы роботами через распределенный процесс проверки. На данном этапе метод, описанный авторами, применим только к последовательным миссиям, но он прокладывает путь для нового потока исследований кибербезопасности в робототехнике, которые станут все более важными, когда роботизированные рои будут развернуты в реальном мире.

Общества роботов, рассматриваемые в этих статьях, однородны: все они имеют одинаковые или сходные физические характеристики и алгоритмы управления. Это означает, что диапазон возникающего коллективного поведения ограничен сенсорными и активационными областями отдельных роботов, и некоторые роботы могут бездействовать, когда задача выполняется другими роботами. Более сложное поведение и эффективное использование членов группы могут быть достигнуты гетерогенными обществами, состоящими из роботов со специализированными системами восприятия, моторики и управления, которые способны к адаптивному разделению труда.

Забегая вперед, ясно, что если роботизированные системы должны продолжать выполнять все более сложные задачи, они должны, как и любой другой организм на Земле, перейти от отдельных индивидуумов, работающих в одиночку или под централизованным контролем, к группам самоорганизующихся посредством связанных команд индивидуумов, работающих вместе. Одиночные клетки перешли к многоклеточным организмам около 600 миллионов лет назад, открыв одно из самых глубоких достижений жизни на Земле. Совсем недавно мы Homo sapiens перешли от относительно примитивной обезьяны в африканской саванне к самой доминирующей форме жизни на Земле, используя способность общаться и работать вместе, используя связанные интерсубъективные реальности. Что бы роботы ни учились делать, они также должны учиться делать это иерархически и системно.