На равнинах Намибии миллионы крошечных термитов строят насыпь из почвы - «легкие» высотой 8 футов для своего подземного гнезда. В течение года строительства многие термиты будут жить и умирать, ветер и дождь разрушат структуру, но проект по поддержанию жизни колонии будет продолжаться.
Вдохновленные устойчивостью и коллективным разумом термитов, группа ученых и инженеров-компьютерщиков из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете создала автономного робота. строительная бригада. Системе не нужен ни наблюдатель, ни глаз в небо, ни связь: только простые роботы - любое количество роботов - которые сотрудничают, изменяя свою среду.
Гарвардская система TERMES демонстрирует, что коллективные системы роботов могут создавать сложные трехмерные структуры без необходимости какой-либо центральной команды или предписанных ролей. Результаты четырехлетнего проекта были представлены на этой неделе на ежегодном собрании AAAS 2014 и опубликованы в выпуске журнала Science от 14 февраля.
Роботы TERMES могут строить башни, замки и пирамиды из пеноблоков, самостоятельно строя лестницы для достижения более высоких уровней и добавляя кирпичи там, где они необходимы. В будущем подобные роботы смогут укладывать мешки с песком перед наводнением или выполнять простые строительные работы на Марсе.
Ключевое вдохновение, которое мы почерпнули из термитов, - это идея о том, что вы можете сделать что-то действительно сложное в группе, без руководителя, и, во-вторых, вы можете сделать это без того, чтобы все явно обсуждали, что происходит, а просто изменяя окружающей среде», - говорит главный исследователь Радхика Нагпал, профессор компьютерных наук Фреда Кавли в Гарвардском университете SEAS. Она также является одним из ведущих преподавателей Института Висса, где она возглавляет платформу биоинспирированной робототехники.
Большинство человеческих строительных проектов сегодня выполняются обученными рабочими в иерархической организации, объясняет ведущий автор Джастин Верфель, штатный научный сотрудник в области биоинспирированной робототехники в Институте Висса и бывший постдокторант SEAS.
"Обычно в начале у вас есть проект и подробный план того, как его выполнить, и бригадир выходит и направляет свою команду, наблюдая за тем, как они это делают", - говорит он. «В колониях насекомых царица не дает им всем индивидуальных инструкций. Каждый термит не знает, что делают другие или каково текущее общее состояние кургана».
Вместо этого термиты полагаются на концепцию, известную как стигмергия, своего рода неявное общение: они наблюдают за изменениями друг друга в окружающей среде и действуют соответственно. Именно для этого команда Нагпала разработала роботов, которые добились впечатляющих результатов. Дополнительные видеоролики, опубликованные в журнале Science, показывают, как роботы совместно строят несколько видов конструкций и даже восстанавливаются после неожиданных изменений конструкций во время строительства.
Каждый робот выполняет свой процесс сборки параллельно с другими, но не зная, кто еще работает в это же время. Если один робот сломается или ему придется уйти, это не повлияет на остальных. Это также означает, что одни и те же инструкции могут выполняться пятью роботами или пятью сотнями. Система TERMES является важным подтверждением концепции масштабируемого распределенного искусственного интеллекта.
Группа исследования самоорганизующихся систем Нагпала специализируется на распределенных алгоритмах, которые позволяют очень большим группам роботов действовать как колония. Тесные связи между учеными-компьютерщиками, инженерами-электриками и биологами Гарварда являются ключом к успеху ее команды. Несколько лет назад они создали рой дружелюбных килоботов и в сотрудничестве с преподавателями Гарварда Робертом Дж. Вуд и Гу-Ён Вэй.
«Когда вместе собирается множество агентов - будь то термиты, пчелы или роботы - часто возникает интересное поведение более высокого уровня, которое вы не могли бы предсказать, глядя на компоненты сами по себе», - говорит Верфель. «Вообще говоря, мы заинтересованы в том, чтобы связать то, что происходит на низком уровне, с правилами отдельных агентов, с этими возникающими результатами».
Соавтор Кирстин Петерсен, аспирант Гарвардского университета SEAS по стипендии Института Висса, возглавила проектирование и строительство роботов и блоков TERMES. Эти роботы могут выполнять все необходимые задачи - перенос блоков, лазание по конструкции, крепление блоков и т. д. - всего с четырьмя простыми типами датчиков и тремя исполнительными механизмами.
«Мы совместно разработали роботов и кирпичи, чтобы сделать систему как можно более минималистичной и надежной», - говорит Петерсен. «Это не только помогает сделать систему более надежной, но и значительно упрощает объем вычислений, необходимых для встроенного процессора. Идея состоит не только в том, чтобы уменьшить количество мелких ошибок, но и в том, чтобы обнаружить и исправить их до того, как они перерастут в ошибки, которые могут стать фатальными для всей системы».
В отличие от системы TERMES, в настоящее время роботизированные системы чаще зависят от центрального контроллера. Эти системы обычно полагаются на «глаз в небе», который может видеть весь процесс, или на то, что все роботы могут часто разговаривать друг с другом. Эти подходы могут повысить эффективность группы и помочь системе быстро восстановиться после проблем, но по мере увеличения количества роботов и размера их территории работать с этими системами становится все труднее. В опасных или удаленных средах центральный контроллер представляет собой единую точку отказа, которая может вывести из строя всю систему.
«Возможно, в конце концов вы захотите что-то среднее между централизованной и децентрализованной системой, но мы доказали крайнюю крайность: это может быть точь-в-точь как термиты», - говорит Нагпал."И с точки зрения термитов, это отлично работает."
Что умеет робот TERMES?
- Двигаться вперед, назад и поворачиваться на месте
- Поднимитесь или спуститесь на ступеньку высотой в один кирпич
- Поднимите кирпич, перенесите его и положите прямо перед собой
- Обнаружение других кирпичей и роботов в непосредственной близости
- Отслеживание собственного местоположения по отношению к «начальному» кирпичу
Каким инструкциям следуют роботы TERMES?
- Соблюдайте заранее установленные правила дорожного движения
- Обведите растущую структуру, чтобы найти первый, «семенной» кирпичик (для ориентации)
- Поднимитесь на конструкцию
- Получить кирпич
- Прикрепите кирпич в любой свободной точке, удовлетворяющей местным геометрическим требованиям
- Слезть со конструкции
- Повторить