Миниатюрный робот, передвигающийся на трех вибрирующих ножках, не может сделать многого, действуя в одиночку. Но тысячи таких аналогичных «мыслящих» роботов представляют собой уже некоторую силу, своего рода «рой», обладающий толикой группового поведения и разума, присущего роям насекомых, что позволяет этому рою выполнять более сложные действия. Ученые уже достаточно давно пытаются экспериментировать с «роями» роботов, но максимум, чего им удавалось добиться, это создание «роев», состоящих из десятков и сотен роботов. А недавно, учены из Гарвардского университета удалось совершить прорыв в этом направлении, собрав и запрограммировав «рой» из крошечных простых роботов, насчитывающий 1024 единицы.

Давайте узнаем подробнее про это…

То, что Вы видите на снимке — это один экземпляр миниатюрного робота Kilobot. Это достаточно простой, небольшой робот, который может передвигаться на пружинящих ножках за счет вибрации и, мигая огнями, «общаться» с другими подобными роботами. Один образец такого робота не представляется чем-то внушительным, но роботы Kilobots и не разработаны для того, что бы работать индивидуально. Со стоимостью в 14 долларов и временем изготовления в пять минут, можно без проблем создать «рой» из сотен и тысяч таких роботов. А группа исследователей из Гарварда обходится «роем» численностью в 25 экземпляров.

 

 

Мы уже видели немало примеров из области робототехники, где используется идеология использования «роя» разнообразных роботов. Какая же разница между группой и «роем» роботов? В группе роботов всегда присутствует известное количество устройств, каждое их которых выполняет одну поставленную задачу, продвигая группу к выполнению общей цели. Выход из строя какого-либо члена группы делает невозможным достижение конечной цели. А в «рое» роботов количество «особей» может быть неопределенным, а распределение задач происходит динамически по мере появления свободных роботов. Таким образом «рой» является более независимым и жизнеспособным видом объединения устройств в единое целое, ведь, в случае чего, просто «отряд не заметил потери бойца». Такая организация уже не раз подтвердила свою эффективность при реализации проектов RoboSwarm и FlyFire.

Есть множество задач, которые можно решать с помощью «роев» роботов, но и при их развертывании возникает немало проблем. Основные проблемы связаны с программированием каждого отдельного образца и зарядка их источников питания. Эти две проблемы пока еще не решаются достаточно эффективно, ведь робот Kilobot не в состоянии обмениваться информацией сразу со всеми членами «роя», его световые сигналы видят только роботы из ближайшего окружения. Поэтому для повышения эффективности роя Kilobot используют центрального диспетчера, который способен осветить инфракрасным светом весь рой сразу, а заряжают таких роботов «пачками» зажимая их между двумя токопроводящими поверхностями. За счет применения таких решений «рой» становится масштабируемым, т.е. при увеличении количества особей время, затрачиваемое на управление роем, практически не увеличивается.

Созданию больших роев роботов может служить препятствием высокая стоимость этого процесса. Даже с учетом того, что стоимость одного робота Kilobot составляет всего 14 долларов, то развертывание роя из тысяч роботов потребует уже достаточно ощутимого финансирования. Поэтому исследователи, работающие в этом направлении, большую часть работы проводят с помощью компьютерных моделей, но рано или поздно все равно наступает момент, когда требуется проверка идей и решений в реальном мире с реальными роботами.

Группа из Гарварда, Self Organizing Systems Research Group, в ближайшее время планирует увеличить численность имеющегося у них роя роботов Kilobot до 1024. После этого, по мнению исследователей, рой сможет реализовать сложные поведенческие функции, такие как самовосстановление и совместные передвижения.

 

Это достижение является ключевым шагом к созданию огромных «стад» крошечных роботов, которые способны самостоятельно формироваться в более крупные объекты, в том числе и в роботов больших размеров. Кроме этого, изучение поведения «роев» роботов позволит ученым понять некоторые тонкости поведения стай рыб, птиц, роев пчел и в организацию таких сложных структур, как нейронные сети.

«Используя роботов, имеющих колеса, датчики ориентации, одометры и камеры, мы можем гораздо проще и удобней изучать тонкости самоорганизации и группового поведения» — рассказывает Майк Рубинштейн (Mike Rubenstein), ученый в области робототехники, возглавляющий научную группу, — «Но такой подход является невероятно сложным и дорогим, что не позволит изготовить группы, насчитывающие тысячи роботов одновременно. А если сделать роботов слишком примитивными, то способности роя из таких роботов будут также существенно ограниченными. В этом деле нам всегда приходится искать компромисс».

Для создания самого большого роя исследователи использовали ранее спроектированных и изготовленных роботов «Kilobots», размер каждого из которых сопоставим с размером средней монеты. Стоимость всех элементов конструкции робота составляет от 10 до 14 долларов, а процесс сборки одной единицы занимает всего несколько минут. Программирование роботов Kilobots осуществляется при помощи одного контроллера, имеющего излучатель инфракрасного света. И при помощи инфракрасного света роботы могут общаться друг с другом, передавая как команды, так и данные.

Конечно же, рой роботов Kilobots не способен на большие «подвиги». Эти роботы способны лишь самоорганизовываться, выстраиваясь на плоской поверхности в различные фигуры. Согласно закладываемой в роботов программе, четыре робота из роя выступают в качестве опорных точек. Эти роботы постоянно передают окружающим, которые двигаются рядом с ними, свои координаты. И это позволяет каждому из роботов рассчитать точку, в которую ему необходимо переместиться и определить наиболее подходящий для перемещения путь. После этого каждый робот начинает движение, отслеживая свое текущее местоположение и ориентацию относительно ближайших к нему других роботов.

«У подобных алгоритмов самоопределения и самоорганизации в будущем будет множество областей применения. И самой первой наиболее очевидной областью станут самоуправляемые автомобили-роботы» — рассказывает Майк Рубинштейн, — «К примеру, когда в одном месте скопится большое количество автомобилей-роботов, только такой алгоритм сможет обеспечить непрерывное движение транспортного потока и позволит избежать столкновений».

А, в конечном счете, дальнейшая миниатюризация роботов, являющихся единицами единого роя, может привести к появлению того, что называют термином «программируемая материя«. Представьте себе тысячи, сотни тысяч и миллионы крошечных механизмов, способных сформировать любую пространственную структуру любой степени прочности, начиная от мебели и заканчивая высокотехнологичными устройствами. Это можно рассматривать как своего рода моментальную трехмерную печать, использовать которую может любой желающий.

«Конечно, до всего вышеперечисленного еще очень и очень далеко» — говорит Майк Рубинштейн, — «Сначала нам потребуется разработать роботов, которые могут формировать устойчивые и прочные трехмерные структуры. Кроме этого требуется усовершенствование программных алгоритмов и оснащение роботов более мощными вычислительными устройствами. Это необходимо для существенного ускорения работы программ самоорганизации, что позволит роботам самоорганизовываться в режиме реального времени. Сейчас наши роботы способны перемещаться лишь по одному за один раз, а сам процесс самоорганизации занимает несколько часов времени».

Более быстрые алгоритмы позволят организовывать рои из гораздо большего количества роботов. Следующим шагом, которые намерены предпринять гарвардские ученые, станет создание роя из 10 тысяч роботов. «Для этого нам потребуются не только сами роботы, но и гораздо больший стол» — в полу-шутку заявил Майк Рубинштейн.