Роевой интеллект: как пчелы вдохновляют робототехников

В живой природе самоорганизация является абсолютно естественным процессом, наблюдающимся у многих организмов. Создание алгоритмов искусственной «самосборки» является одной из современных задач робототехники, и у ученых есть некоторые успехи. Пока что дом или автомобиль миниатюрная «колония» вам не построит, но, по крайней мере, уже сможет написать ваше имя.

Может ли природа подать в суд за плагиат?

Природа по-прежнему опережает человечество на многие и многие столетия во множестве технологических вопросов. Естественные для окружающей среды процессы на деле оказываются настолько сложными, что ученым оказывается не под силу их повторение в лабораторных условиях.

Заимствование идей у природы получило отдельное направление в инженерии, названное биомимикрией. Так, например, ученых давно вдохновлял пример самоорганизации миллионов и триллионов отдельных объектов и организмов: упорядочение молекул в кристаллах, движение бактерий за счет жгутиков. В колониях муравьи могут строить целые мосты, цепи и гнезда, сцепляясь воедино. Объединяясь, группы организмов могут совершать действия, неподвластные отдельным индивидам.

Такие примеры «коллективного разума» восхищают и удивляют ученых: «самосборка» является крайне сложной задачей, в первую очередь из-за ограниченности взаимодействия между отдельными организмами, которое в результате распространяется на расстояния, в десятки и сотни раз превышающее размеры единичных элементов.

Робот «Килобот»

Роевой интеллект

Вдохновившись примером муравьев и пчел, ученые предложили концепцию искусственных систем, обладающих свойствами настоящего роя: появилась идея создания крошечных роботов, которые могут функционировать как единое целое в больших группах.

Группа ученых Гарвардского университета под руководством Майкла Рубинштейна несколько лет назад объявила о создании роботов «Kilobot». Каждый отдельный робот стоит порядка 20 долларов: в комплектацию входит вибрационный мотор, который позволяет механизму скользить вдоль поверхностей и инфракрасный источник для коммуникации и измерения расстояния между отдельными роботами. Измерение расстояний проводится довольно грубо: роботы не могут уточнить угол поворота относительно друг друга; также в целом вся система децентрализована и асинхронна, каждый электронный «муравей» взаимодействует только с ближайшими соседями.

Алгоритмы коллективного поведения роботов: следование вдоль края, градиентное формирование, локализация

Алгоритмы коллективного поведения

В деле создания искусственных самоорганизующихся систем основной проблемой для ученых стала разработка механизма взаимодействия между роботами, который позволил бы им постепенно выстраивать необходимую структуру. Задача решается довольно легко для небольших групп, в которых программа может искусственно рассчитать и задать положение каждого отдельного элемента. Однако, для реального применения в больших «колониях» потребовалась совершенно другая стратегия.

Ученые из Гарварда предложили алгоритм, основанный на трех «базовых» вариантах коллективного поведения: движение робота вдоль края фигуры за счет измерения расстояния до пограничных элементов; градиентное формирование, в котором робот-источник задает для других роботов постепенно увеличивающееся до него расстояние; а также локализация, когда роботы могут создавать временные системы отсчета, руководствуясь положением друг относительно друга.

Изначально каждому роботу подается одна и та же программа, в которую заложена форма фигуры для повторения. Они собираются в некую начальную структуру, не зная о своем положении в пространстве. Для начала процесса самоорганизации пользователь помещает четыре специальных робота-источника: они становятся точкой отсчета для будущей фигуры и задают градиент расстояний. Роботы, находящиеся в этот момент с краю исходной конфигурации, начинают движение вдоль границы. Для того, чтобы избежать заторов, в каждый момент времени выбирается случайная подгруппа роботов, которым разрешено начинать движение.

Одновременно происходит измерение расстояния между роботом и его ближайшими стационарными соседями, уже занявшими свое место, и сравнение положения до источников, которое задается градиентом. Если робот находится вне краев формы, он продолжает движение вдоль границы, пока не окажется внутри: затем он начинает сравнивать свои координаты с необходимым градиентом и корректирует положение, пока оно не удовлетворит обоим условиям.

Схема самоорганизации «Килоботов»

Этот робот меня ударил!

Реальность, однако, всегда оказывается сложнее, чем идеализированный эксперимент: в системах из тысячи и более роботов могут наблюдаться различные трудности как, например, неточное измерение расстояний и даже тот простой факт, что слишком резвый «сосед» может толкнуть уже занявшего свое положение робота тем самым изменив его координаты.

Для того, чтобы обойти подобные проблемы, ученые добавили несколько исправлений в исходный алгоритм: самое важное из них состоит в том, что программа задает только форму фигуры и ее границу, но не положение каждого отдельного робота внутри нее. Множество вариантов размещения роботов внутри заданных границ позволяет алгоритму не обращать внимание на ошибки позиционирования и «сосредотачиваться» на конечном результате.

В результате ученым удалось запрограммировать «рой» из 1024 роботов на повторение различных фигур. Выполнение каждой задачи потребовало порядка 10 часов времени; фигуры были воспроизведены с хорошей, но пока что далеко не идеальной точностью.

Также были обнаружены интересные эффекты, такие как «пробки» из роботов, движущихся вдоль краев, созданные особенно медленными индивидами. Периодически происходило «разрушение» исходной формы роя за счет случайных столкновений: идеализированные математические модели не предсказывали подобного поведения.

Роботы не всесильны

У созданных алгоритмов есть и ряд недостатков. В первую очередь, рою «Килоботов» не под силу создание фигур с дырками, просто в силу того, что они запрограммированы на движение вдоль границ.

Для успешного выполнения задачи роботов сначала необходимо выстроить правильным образом, в то время как в природе самоорганизовываются расположенные совершенно случайно друг относительно друга организмы. Также и идея роботов-источников чужда естественным процессам: впрочем, эта проблема может быть решена внедрением алгоритмов случайного выбора первичных роботов.

Кроме того, после создания отдельной фигуры остаются «неиспользованные» роботы. Пока что сторонний наблюдатель должен сам оценить точность выполнения задачи и убрать ненужные элементы.

Будущее совсем близко

Несмотря на наличие несовершенств алгоритмов, данное направление действительно напоминает то будущее, которое рисуют в своих книгах писатели-фантасты: микро- и нанороботы, способные создавать конструкции любой сложности, в том числе и трехмерные.

А ученые тем временем уже предложили множество идей использования самоорганизующихся робо-колоний: от исследования течений в океанах вплоть до доставки лекарств и обследований человеческого организма.