Schwarmintelligenz und Verhalten von Schwarmrobotern

Gegenwärtig ist die Robotik ein sich rasch entwickelndes Wissensgebiet mit großem Potenzial in allen Bereichen der modernen Gesellschaft. Die wichtigsten aktuellen Entwicklungen in diesem Bereich sind Gruppenrobotikprojekte. Diese Studien stehen in engem Zusammenhang mit der Wirkung des Systemverhaltens, das bei verschiedenen sozialen Insekten, der so genannten Schwarmintelligenz, beobachtet werden kann. Ein solches Merkmal ist, dass klare und einfache Verhaltensregeln jedes Gruppenmitglieds ein komplexes organisiertes Verhalten der gesamten Gruppe erzeugen. Das beabsichtigte Gruppenverhalten wird von Robotern gebildet, die miteinander und mit ihrer Umgebung interagieren.

Schwarmrobotik

Die Gruppen- oder Schwarmrobotik ist ein Bereich, in dem neue Ansätze zur Koordinierung von Systemen erforscht und gefunden werden, die aus vielen Robotern bestehen, die überwiegend einfach aufgebaut sind. In solchen Szenarien ist das vorhersagbare Verhalten des Kollektivs das Ergebnis der Interaktion der Robotereinheiten untereinander und mit der Umgebung. Die Ergebnisse biologischer Studien an Insekten, namentlich Ameisen und Bienen, sowie die Ergebnisse von Studien in anderen Bereichen der Natur, in denen Schwarmverhalten auftritt, wurden in Richtung künstliche Schwarmintelligenz adaptiert. Die Aktivität des gesamten Schwarms sollte jede Aktion einer Robotereinheit in einem solchen System bedingen. Die Interaktion und Verbindung zwischen den einzelnen Robotern im System ist geordnet, und jedes Mitglied hat Regeln und Aufgaben. Es ist die Interaktion zwischen den Gruppenmitgliedern, die ein ständiges Feedback erzeugt. Dementsprechend wird das komplexe organisierte Verhalten des gesamten Schwarms durch einfache Regeln des individuellen Verhaltens verkörpert. Der Gedanke an eine zentrale Steuerung tritt in den Hintergrund, und stattdessen entsteht Schwarmintelligenz und sogar Gruppenintelligenz innerhalb eines großen Schwarms. Das System wird auf der Grundlage der Gesamtaufgabe der Gruppe sowie der Position jedes Roboters zu einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert, wobei das Verhalten der umliegenden Teilnehmer vorhergesagt wird. Die Schaffung komplexer Systeme, die aus einfachen Komponenten bestehen, ist mit der Lösung mehrerer spezifischer Probleme verbunden, die für die Zusammenarbeit von Robotern typisch sind. Dazu gehören unter anderem:

• Die unvorhersehbare ständige Veränderung der äußeren Umgebung bis hin zum bewussten Gegensteuern,
• unvollständige Daten über die Umgebung und Gruppenmitglieder
• vielfältige Vektoren von Wegen zur Zielerreichung, Strukturen des Teams, Rollenverteilung etc.
• verteilter und dynamischer Charakter der Planung von Aktionen eines Kollektivs,
• Probleme, die dadurch verursacht werden, dass Swarming-Systeme eine Reihe von physischen Objekten sind, die in einer komplexen Umgebung funktionieren (zuverlässige Kommunikationsprobleme, Verteilung des Teams im Raum usw.),
• andere technische Probleme (Netzwerkarchitektur, Protokolle, Betriebstools usw.).

Eigenschaften eines Roboterschwarms

Die Vorteile und Eigenschaften eines Roboterschwarms lassen sich durch den Vergleich eines solchen Systems mit einem einzelnen Roboter nachvollziehen. Die Eigenschaften eines Roboterschwarms ähneln denen von Insektenschwärmen in der Natur. Ein einzelner Roboter hat normalerweise einen komplexen Aufbau und verschiedene Steuerungsmodule, wodurch die Design-, Entwicklungs- und Wartungskosten ziemlich hoch sind. Ein solcher Roboter ist ziemlich anfällig. Beschädigungen auch kleiner Teile können zum Ausfall des gesamten Systems führen. Ein Schwarm von Robotern führt die zugewiesenen Aufgaben durch Interaktion zwischen Gruppen aus. Solche Systeme haben den Vorteil, dass einfache Roboter mehrfach verwendet werden können, sowie niedrige Kosten und niedrige Wartungskosten. Schwarmroboter eignen sich besonders für große, skalierbare Aufgaben. Schwarmsysteme sind skalierbar, sodass Robotereinheiten jederzeit in die Interaktion eintreten oder diese verlassen können, ohne die Aufgabe zu unterbrechen. Ein Schwarm passt sich an Änderungen in der Anzahl der Roboter an, die ihn betreten, indem er nur lokale Kommunikation verwendet. Ein solches System könnte unter Verwendung von drahtlosen Hochfrequenz- oder Infrarot-Datenübertragungstechnologien erstellt werden. Dies bedeutet, dass solche Systeme flexibel genug sind, um keine Änderungen sowohl im Design als auch in der Software zu erfordern. Daher sind Schwarmroboter gut auf reale Bedingungen anwendbar. Es ist auch unmöglich, eine solche Eigenschaft solcher Systeme als Parallelität nicht zu bemerken. Die Anzahl der Teilnehmer an einem Schwarm von Robotern steigt ziemlich schnell an, was großen Systemen die Möglichkeit gibt, sich auf mehrere Ziele innerhalb einer einzigen Aufgabe zu konzentrieren. Es weist darauf hin, dass ein solcher Schwarm Aufgaben ausführen kann, an denen mehrere Ziele beteiligt sind, die über verschiedene Umgebungen verteilt sind. Auf diese Weise reduzieren wir die Zeit, die für die Erledigung einer Aufgabe benötigt wird. Das folgende Unterscheidungsmerkmal ist Stabilität. Basierend auf der Skalierbarkeit ist ein Schwarm von Robotern sehr zuverlässig, selbst wenn einige Robotereinheiten aufgrund verschiedener Faktoren funktionsunfähig geworden sind. Schäden an einem oder mehreren Robotern in der Gruppe stören den Betrieb im Allgemeinen nicht. Die Reduzierung der Anzahl von Robotern in einem Schwarm führt zur Degradation eines solchen Systems und damit zu einer Verringerung der Effizienz der Multitude. Dennoch neigt der verbleibende Teil dazu, die anstehende Aufgabe zu erfüllen. Eine solche Funktion ist für Funktionen unter extremen Bedingungen unerlässlich. Der Verlust der Funktionalität einzelner Einheiten in einem einzelnen Roboter kann die von ihm ausgeführte Arbeit stören, und Versuche, die grundlegendsten Funktionseinheiten eines Roboters zu duplizieren, führen zu einem Anstieg des Gewichts, der Größe und der Kosten des Roboters, erhöhen jedoch nicht die Effizienz ( sogar reduzieren, angesichts der Größe und Masse). Die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme ist nicht zu übersehen. Daraus folgt, dass die Kosten für Wartung, Entwicklung und Produktion von Roboterschwärmen deutlich niedriger sind als die eines Komplexes aus einzelnen Einzelrobotern, selbst wenn die Anzahl der Bienenstöcke Hunderte oder Tausende beträgt. Die Massenproduktion von Roboterschwärmen ist im Gegensatz zur seriellen Hochpräzisionsproduktion von Personal Robots möglich. Hinsichtlich der Energiekosten ist ein einzelner Roboter in einem Schwarm einfach aufgebaut und kleiner als ein einzelner Roboter; daher sind die Energiekosten und die Batteriekapazität nicht so hoch. Dadurch kann der Lebenszyklus eines Schwarms von Robotern verlängert werden. In einer Umgebung ohne Treibstoff- oder Energiereserven ist ein Roboterschwarm besser geeignet als ein traditioneller Einzelroboter.

Mögliche Managementstrategien für das Schwarmsystem:

• zentralisiert - Fernsteuerung mit einer dedizierten Basisstation, der Schwarmführer wird von einem zentralen Knoten zugewiesen,
• Dezentral – der Schwarmführer wird basierend auf einem Algorithmus bestimmt und ist nicht von der zentralen Kontrollstation abhängig,
• Mixed - Kombiniert die Vorteile zentraler und dezentraler Strategien durch Zuweisung des Schwarmführers auf Basis eines der Algorithmen mit ggf. Übertragung von Kontrollrechten an den Operator. Je nach Art des Informationsaustauschs im Schwarm sind zwei Szenarien möglich:

1. Ein Roboter, der ein Ziel erkannt hat, meldet seine Koordinaten an benachbarte Roboter, die diese Informationen in der Kette an ihre Nachbarn weitergeben, bis sie allen Robotern in der Gruppe bekannt sind; sie ändern dann ihre Flugbahn in Richtung des Ziels.
2. Ein Roboter, der das Ziel erkannt hat, kann seine Koordinaten nicht an andere Roboter im Schwarm weitergeben; dabei ändert es seine Flugbahn zum Ziel hin; andere ihm durch die Regeln zulässiger Abstände zugehörige Roboter folgen ihm, d. h. er wird zum ”führenden” Roboter.

Anwendungen von Roboterschwärmen

Die Zahl der möglichen Anwendungen von Roboterschwärmen ist ziemlich groß. Darunter:

• Gewinnung von Rohstoffen. Dieses Anwendungsgebiet bietet hervorragende Möglichkeiten, erfordert aber auch viele Fähigkeiten eines Roboterschwarms, wie z. B. gemeinsames Erkunden, Finden des kürzesten Weges, effizientes Verteilen und Aufgabenmanagement. Dazu gehört auch die Aufgabe, einen Gegenstand kollektiv zu transportieren.
• Arbeiten in Extremsituationen, Durchführung von Such- und Rettungsaktionen an Orten von Naturkatastrophen und von Menschen verursachten Katastrophen sowie in Kampfgebieten. Beispielsweise kann ein Schwarm von Robotern das Problem der Minenräumung schneller und billiger lösen als ein einzelner Roboter – der technische Operationen ausführt, einschließlich solcher in gefährlichen und gefährlichen Industrien. Roboter mit geringer Größe und geringem Gewicht können sich frei in engen Gängen bewegen und bleiben von feindlichen Radarstationen unbemerkt.
• Überwachung, Vermessung und Untersuchung des Planeten Erde und anderer Planeten des Sonnensystems. Es kann auch die Aufgabe der Überwachung von Gebieten und Gewässern bei organisierten Gegenmaßnahmen des Feindes, die Aufgabe der Suche nach Opfern in den Trümmern nach Naturkatastrophen oder von Menschen verursachten Katastrophen und die Aufgabe der Verfolgung und Neutralisierung von Sprengkörpern in Anti -Terroroperationen in dicht besiedelten Stadtgebieten.
• Reinigung von Oberflächen, Meer- und Ozeanwasserbereichen und dem kosmischen Raum von gefährlichen chemischen und radioaktiven Substanzen.
• Durchführung einiger chirurgischer Eingriffe, wie z. B. nichtinvasive Entfernung bösartiger Tumore. Fortschritte im Roboterdesign neigen dazu, die Konstruktion zu miniaturisieren und billiger zu machen. Schwarmroboter können Aufklärungsfunktionen ausführen, indem sie verschiedene Strukturen inspizieren und so die für diese Aufgabe erforderliche Zeit verkürzen. Roboter in einem Schwarm haben begrenzte Wahrnehmungsfähigkeiten, aber die kollektive Wahrnehmung des Bienenstocks kann kanalisiert werden, um globale Studien durchzuführen (Terrain Mapping). Aufgaben wie die Weltraumforschung mit Nanorobotern in menschlichen Venen und Arterien für medizinische Zwecke (Krankheitsbekämpfung) sind in Kürze vorstellbar. Die grundlegenden Faktoren beim Schwärmen von Robotersystemen sind Kosten und Miniaturisierung. Dies sind die beiden größten Herausforderungen bei der Entwicklung großer Gruppen von Robotern. Basierend auf dem oben Gesagten ist der am besten gerechtfertigte Ansatz, Schwarmintelligenz zu implementieren, um ein sinnvolles Verhalten auf Gruppenebene und nicht auf individueller Ebene zu erreichen. Die Schwarmrobotik eröffnet die Möglichkeit, zukünftig Schwärme von Robotern zu schaffen, die gemeinsam viele Aufgaben lösen können und sich nach dem Prinzip der Selbstorganisation informationell und physisch zu einer Einheit vereinen. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Funktionalität des Roboterschwarms als Ganzes durch den Ausfall eines einzelnen Roboters nicht stark beeinträchtigt wird. Bei der Erstellung verschiedener Roboter entsteht die Aufgabe, verschiedene Algorithmen zur Umsetzung der Roboterbewegung, der Zusammenarbeit mit anderen Roboternachbarn und der Interaktion mit der Außenwelt zu modellieren. Dank Softwareentwicklung ist es möglich, die gewünschten Algorithmen an einem virtuellen Modell zu testen, ihre Stärken und Schwächen zu untersuchen und Mängel zu beseitigen, ohne einen echten Roboter bauen zu müssen.

Aktuelle Mängel

Der Einsatz von Schwarmrobotersystemen ist derzeit noch selten. Die Schwarmgröße hängt oft von der Anzahl der Roboter ab, die den Unternehmen oder Forschungseinrichtungen zur Verfügung stehen, und wird nicht immer entsprechend dem gewünschten Schwarmverhalten gewählt. Obwohl schon seit Jahrzehnten geforscht wird, ist der Durchbruch in der Schwarmrobotik, insbesondere für industrielle Anwendungen, noch nicht gelungen. Das liegt daran, dass es noch mehrere offene Fragen gibt. Zunächst einmal ist die Zuverlässigkeit von Schwarmrobotern ein Problem. Natürliche Schwärme arbeiten unter der Annahme, dass einzelne Schwarmmitglieder ausfallen können. In technischen Schwärmen sind hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erforderlich, um das System am Laufen zu halten. Der Ausfall einzelner Schwarmmitglieder kann die Betriebskosten erhöhen und zu Sicherheitsproblemen führen. Das Schwarmverhalten mit seinen emergenten Eigenschaften, das von autonomen Robotern auf der Grundlage verteilter Informationen ausgeführt wird, kann die erforderlichen Sicherheitsgarantien nicht bieten. Daher verlassen sich viele Industrieprojekte immer noch auf eine zentrale Steuerung, wie z. B. in der Landwirtschaft und in Lagerhäusern. In diesen Projekten wird der Begriff "Schwarm" ausschließlich für eine große Anzahl von Agenten verwendet. Die Implementierungen ignorieren den Grundgedanken der Schwarmrobotik, nämlich die verteilte Entscheidungsfindung, die zu einem selbstorganisierenden Verhalten führt. Obwohl die Roboter ihre Umgebung erkennen, lokal Daten sammeln und diese Daten an den Rest des Schwarms weiterleiten können, sind sie auf eine zentrale Einheit angewiesen. Diese zentrale Einheit legt entweder das Verhalten jedes Roboters im Voraus fest oder verarbeitet in dynamischeren Szenarien die von den Robotern erhaltenen Informationen, um ihr Verhalten zu steuern. Neben den technologischen Beschränkungen ist die Sicherheit ein wesentlicher Aspekt der Kommunikation. Sie ist für militärische Anwendungen von besonderem Interesse. Erstens können die von den Robotern ausgetauschten Informationen sensibel sein und sollten nicht an Dritte weitergegeben werden. Zweitens kann das Verhalten des Schwarms durch die Informationen, die die Schwarmmitglieder erhalten, beeinflusst werden. Das bedeutet, dass das Verhalten des Schwarms beeinflusst werden kann, indem die von den Robotern ausgetauschten Nachrichten verändert werden oder indem falsche Informationen in den Schwarm eingeschleust werden. Daher muss die Kommunikation im Schwarm verschlüsselt werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn eine zentrale Station Befehle zur Steuerung des Schwarms sendet.

Aussichten für weitere Verbesserungen und Anwendungen

Schwarmalgorithmen beruhen auf dem selbstorganisierenden Verhalten von Schwärmen, wie es in wimmelnden natürlichen Systemen wie Insektenkolonien oder Vogelschwärmen zu beobachten ist, die unter sehr unterschiedlichen und dynamischen Bedingungen arbeiten können. Das Gleiche gilt für Roboterschwärme. Sie sind für die Arbeit in der physischen Welt konzipiert, die in der Regel ständigen dynamischen Veränderungen unterworfen ist und mit Ereignissen und äußeren Bedingungen fertig werden muss, die sich nur schwer vorhersagen oder modellieren lassen. Neben dem enormen Potenzial für Anwendungen in Bereichen wie Logistik, Landwirtschaft und Inspektion ist eine geeignete Arbeitsumgebung für Schwärme diejenige, die für Menschen ungeeignet ist, einschließlich solcher, die schwer zugänglich, gefährlich oder schmutzig sind. Robotersysteme in diesen Umgebungen können dazu beitragen, das Verhalten von Schwärmen besser zu beobachten, zu verstehen und zu nutzen: Anpassungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit. Im Vergleich zu einem einzelnen zentralen Roboter haben Robotergruppensysteme den Vorteil, dass sie mit einer einzigen lokalen Kommunikation weit skalierbar sind, Fehlertoleranz aufweisen und die Fähigkeit zur Selbstorganisation und Selbstregulierung besitzen. Der Anwendungsbereich solcher Techniken nimmt ständig zu. Es reicht von autonomen Such- und Rettungsaktionen bis hin zum Einsatz dezentraler autonomer Systeme zum Schutz. Die Unvorhersehbarkeit und die rasche Dynamik der äußeren Umgebung bedingen jedoch derzeit eine Reihe von Problemen, die mit unvollständigen und widersprüchlichen Daten über den Zustand der Außenwelt sowie mit Informationen über andere Teammitglieder, mit einer Vielzahl von Optionen zur Erreichung des Ziels, mit Teamstrukturen usw. zusammenhängen. Die Lösung dieser Probleme wird sowohl die Hardware als auch die Software der Roboter in den Gruppen qualitativ verbessern, die Flexibilität des Systems erhöhen und die Zuverlässigkeit und Leistung einer Gruppe von Robotern steigern.