En la actualidad, la robótica es un campo de conocimiento en rápido desarrollo con gran potencial en todos los ámbitos de la sociedad moderna. Los avances recientes más relevantes en este campo son los proyectos de robótica de grupo. Estos estudios están estrechamente relacionados con el efecto del comportamiento del sistema, que puede observarse en varios insectos sociales, llamado inteligencia de enjambre. Esta característica consiste en que las reglas de conducta claras y sencillas de cada miembro del grupo crean un comportamiento organizado complejo de todo el grupo. El comportamiento de grupo previsto está formado por robots que interactúan entre sí y con su entorno.
Robótica de enjambre
La robótica de grupo, o de enjambre, es un campo que explora y encuentra nuevos enfoques para coordinar sistemas formados por muchos robots, predominantemente de diseño sencillo. En estos escenarios, el comportamiento predictivo del colectivo es el resultado de la interacción de las unidades robóticas entre sí y con el entorno. Los resultados de los estudios biológicos de los insectos, a saber, las hormigas y las abejas, así como los resultados de los estudios en otras áreas de la naturaleza donde se produce el comportamiento de enjambre, se adaptaron en la dirección de la inteligencia artificial de enjambre. La actividad de todo el enjambre debe condicionar cada acción de una unidad robótica en un sistema de este tipo. La interacción y la interconexión entre los robots del sistema están ordenadas, y cada miembro tiene reglas y tareas. Es la interacción entre los miembros del grupo la que crea una retroalimentación constante. De este modo, el complejo comportamiento organizado de todo el enjambre se materializa a través de sencillas reglas de conducta individual. La noción de control centralizado pasa a un segundo plano y en su lugar surge la inteligencia de enjambre, e incluso la inteligencia de grupo dentro de un gran enjambre. El sistema se controlará en función de la tarea global del grupo, así como de la ubicación de cada robot en un momento determinado, prediciendo el comportamiento de los participantes circundantes. La creación de sistemas complejos formados por componentes simples está relacionada con la resolución de varios problemas específicos, típicos de los robots que trabajan juntos. Entre ellos destacan:
- El cambio constante e impredecible del entorno externo que incluye la contrarrestación consciente,
- datos incompletos sobre el entorno y los miembros del grupo
- una gran variedad de vectores de formas de conseguir el objetivo, estructuras del equipo, distribución de roles, etc.,
- carácter distribuido y dinámico de la planificación de acciones de un colectivo,
- problemas causados por el hecho de que los sistemas de enjambre son un conjunto de objetos físicos que funcionan en un entorno complejo (problemas de comunicación confiable, distribución del equipo en el espacio, etc.),
- otros problemas técnicos (arquitectura de red, protocolos, herramientas operativas, etc.).
Características de un enjambre de robots
Las ventajas y características de un enjambre de robots pueden rastrearse comparando este sistema con un solo robot. Las características de un enjambre de robots son similares a las de los enjambres de insectos en la naturaleza. Un robot individual suele tener una estructura compleja y varios módulos de control, por lo que los costes de diseño, desarrollo y mantenimiento son bastante elevados. Un robot de este tipo es bastante vulnerable. Los daños, incluso en las piezas más pequeñas, pueden provocar el fallo de todo el sistema. Un enjambre de robots realiza las tareas asignadas mediante la interacción entre grupos. Este tipo de sistemas tiene la ventaja de los múltiples usos de los robots simples, así como el bajo coste y los bajos costes de mantenimiento. Los robots enjambre son especialmente adecuados para tareas grandes y escalables. Los sistemas de enjambre son escalables y permiten que las unidades de robots entren o salgan de la interacción en cualquier momento sin interrumpir la tarea. Un enjambre se adapta a los cambios en el número de robots que entran en él utilizando únicamente la comunicación local. Un sistema de este tipo puede crearse utilizando tecnologías de transmisión de datos inalámbrica por radiofrecuencia o infrarrojos. Esto significa que tales sistemas son lo suficientemente flexibles como para no requerir cambios tanto en el diseño como en el software. Por lo tanto, los robots enjambre son bien aplicables a las condiciones del mundo real. También es imposible no destacar una propiedad de estos sistemas como es el paralelismo. El número de participantes en un enjambre de robots aumenta con bastante rapidez, lo que da a los sistemas grandes la capacidad de centrarse en múltiples objetivos dentro de una misma tarea. Esto indica que un enjambre de este tipo puede realizar tareas con múltiples objetivos distribuidos en varios entornos. De este modo, se reduce el tiempo necesario para completar una tarea. La siguiente característica distintiva es la estabilidad. Basándose en la escalabilidad, un enjambre de robots es altamente fiable, incluso cuando algunas unidades de robots han quedado inoperativas debido a diversos factores. Los daños en uno o varios robots del grupo no suelen interrumpir la operación. La reducción del número de robots de un enjambre provoca la degradación de dicho sistema, reduciendo así la eficacia de la multitud. Aun así, la parte restante tiende a realizar la tarea en cuestión. Esta característica es esencial para las funciones en condiciones extremas. La pérdida de funcionalidad de las unidades individuales de un robot puede perturbar el trabajo que realiza, y los intentos de duplicar las unidades funcionales más básicas de un robot conducen a un aumento del peso, el tamaño y el coste del robot, pero no aumentan la eficiencia (incluso la reducen, dado el gran tamaño y la masa). No se puede pasar por alto la relación coste-eficacia de estos sistemas. De lo anterior se deduce que el coste de mantenimiento, desarrollo y producción de enjambres de robots es significativamente menor que el de un complejo de robots individuales, aunque el número de colmenas sea de cientos o miles. La producción en masa de enjambres de robots es posible en contraste con la producción en serie de alta precisión de robots personales. En cuanto a los costes energéticos, un solo robot de un enjambre tiene un diseño sencillo y es más pequeño que un robot individual; por tanto, los costes energéticos y la capacidad de las baterías no son tan elevados. Esto significa que el ciclo de vida de un enjambre de robots puede aumentar. En un entorno sin reservas de combustible o energía, un enjambre de robots es más adecuado que un robot individual tradicional.
Posibles estrategias de gestión del sistema de enjambre:
- centralizado: control remoto con una estación base dedicada, el líder del enjambre se asigna desde un nodo central,
- Descentralizado: el líder del enjambre se determina en función de algún algoritmo y no depende de la estación de control central,
- Mixto: combina las ventajas de las estrategias centralizadas y descentralizadas mediante la asignación del líder del enjambre en función de uno de los algoritmos con la transferencia de los derechos de control al operador, si es necesario. Dependiendo de la naturaleza del intercambio de información en el enjambre, son posibles dos escenarios:
- Un robot que ha detectado un objetivo informa sus coordenadas a los robots vecinos, que pasan esta información a través de la cadena a sus vecinos hasta que todos los robots del grupo la conocen; luego cambian su trayectoria hacia el objetivo.
- Un robot que ha detectado el objetivo no puede decir sus coordenadas a otros robots en el enjambre; al hacerlo, cambia su trayectoria hacia el objetivo; otros robots relacionados con él por las reglas de las distancias admisibles lo siguen, es decir, se convierte en el "líder" robot.
Aplicaciones de enjambres de robots
La cantidad de posibles aplicaciones de los enjambres de robots es bastante grande. Entre ellos:
- Extracción de materias primas. Esta área de aplicación implica excelentes oportunidades, pero también requiere muchas habilidades de un enjambre de robots, como la exploración colectiva, la búsqueda del camino más corto, la distribución eficiente y la gestión de tareas. También incluye la tarea de transportar colectivamente un objeto.
- Trabajar en situaciones extremas, realizando operaciones de búsqueda y rescate en los sitios de desastres naturales y provocados por el hombre y en las zonas de combate. Por ejemplo, un enjambre de robots puede resolver el problema de la remoción de minas de manera más rápida y económica que un robot individual, ejecutando operaciones técnicas, incluidas aquellas en industrias peligrosas y peligrosas. Los robots de pequeño tamaño y peso pueden moverse libremente en pasillos estrechos, pasando desapercibidos para las estaciones de radar enemigas.
- Supervisar, inspeccionar y estudiar el planeta Tierra y otros planetas del sistema solar. También puede incluir la tarea de vigilancia de territorios y aguas en condiciones de contraataque organizado del enemigo, el trabajo de búsqueda de víctimas entre los escombros después de desastres naturales o provocados por el hombre, y la tarea de rastrear y neutralizar artefactos explosivos en la lucha contra -operaciones terroristas en áreas urbanas densamente pobladas.
- Limpieza de superficies, áreas de agua marina y oceánica y espacio cósmico de sustancias químicas y radiactivas peligrosas.
- Realización de algunas operaciones quirúrgicas, como la extirpación no invasiva de tumores malignos. Los avances en el diseño de robots tienden a miniaturizar y abaratar la construcción. Los robots de enjambre pueden realizar funciones de reconocimiento, inspeccionando varias estructuras, reduciendo el tiempo requerido para completar esta tarea. Los robots en un enjambre tienen capacidades de sensibilidad limitadas, pero la percepción colectiva de la colmena se puede canalizar para implementar estudios globales (mapeo del terreno). Tareas como la exploración espacial utilizando nanorobots en venas y arterias humanas con fines médicos (para combatir enfermedades) se pueden imaginar en breve. Los factores fundamentales en los sistemas robóticos de enjambre son el costo y la miniaturización. Estos son los dos desafíos principales en el desarrollo de grandes grupos de robots. Con base en lo anterior, el enfoque más justificado es implementar la inteligencia de enjambre para lograr un comportamiento significativo a nivel de grupo en lugar de a nivel individual. La robótica de enjambres abre la posibilidad de crear enjambres de robots en el futuro que puedan resolver colectivamente muchas tareas mientras se unen de forma informativa y física en una sola entidad basada en el principio de autoorganización. Es crucial entender que la funcionalidad del enjambre de robots como un todo no se ve muy afectada por la falla de un solo robot. En el proceso de creación de varios robots, surge la tarea de modelar diferentes algoritmos para implementar el movimiento del robot, la cooperación con otros robots vecinos y la interacción con el mundo exterior. Gracias al desarrollo de software, es posible probar los algoritmos deseados en un modelo virtual, estudiar sus fortalezas y debilidades y eliminar las deficiencias sin tener que construir un robot real.
Deficiencias actuales
En la actualidad, el uso de sistemas robóticos en forma de enjambre es todavía poco frecuente. El tamaño del enjambre suele depender del número de robots de que disponen las empresas o los organismos de investigación y no siempre se elige en función del comportamiento deseado del enjambre. Aunque se lleva investigando desde hace décadas, todavía no se ha producido un avance en la robótica de enjambre, especialmente para aplicaciones industriales. Esto se debe a que todavía hay varias cuestiones abiertas. En primer lugar, preocupa la fiabilidad de los robots de enjambre. Los enjambres naturales funcionan con la suposición de que los miembros individuales del enjambre pueden fallar. En los enjambres artificiales se requiere una alta fiabilidad y disponibilidad para mantener el sistema en funcionamiento. El fallo de los miembros individuales del enjambre puede aumentar los costes operativos y provocar problemas de seguridad. El comportamiento de los enjambres, con sus características emergentes, realizado por robots autónomos que dependen de la información distribuida, no puede proporcionar las garantías de seguridad necesarias. Por ello, muchos proyectos industriales siguen dependiendo del control centralizado, como la agricultura y los almacenes. En estos proyectos, el término "enjambre" se utiliza exclusivamente para referirse a un gran número de agentes. Las implementaciones ignoran la idea básica de la robótica de enjambre, que es la toma de decisiones distribuida que conduce a un comportamiento autoorganizado. Aunque los robots pueden detectar su entorno, recoger datos localmente y transmitirlos al resto del enjambre, dependen de una unidad central. Esta unidad central predetermina el comportamiento de cada robot o, en escenarios más dinámicos, procesa la información recibida del robot para controlar su comportamiento. Además de las limitaciones tecnológicas, la seguridad es una cuestión esencial en la comunicación. Es de especial interés para las aplicaciones militares. En primer lugar, la información que intercambian los robots puede ser sensible y no debe ser revelada a esas partes. En segundo lugar, el comportamiento del enjambre puede verse influido por la información que reciben sus miembros. Esto significa que el comportamiento del enjambre puede verse afectado por la modificación de los mensajes intercambiados por los robots o por la introducción de información falsa en el enjambre. Por lo tanto, la comunicación en la multitud debe estar encriptada. Es crucial cuando una estación central envía órdenes para controlar el enjambre.
Perspectivas de nuevas mejoras y aplicaciones
Los algoritmos de enjambrazón se basan en el comportamiento autoorganizado de los enjambres, tal y como se observa en los sistemas naturales enjambrados, como las colonias de insectos o las bandadas de pájaros, que pueden funcionar en condiciones muy diversas y dinámicas. Lo mismo ocurre con los enjambres de robots. Están diseñados para trabajar en el mundo físico, que normalmente se enfrenta a cambios dinámicos constantes y debe hacer frente a eventos y condiciones externas que son difíciles de predecir o modelar. Además del tremendo potencial de aplicaciones en campos como la logística, la agricultura y la inspección, un entorno de trabajo adecuado para los enjambres es el que resulta inadecuado para los humanos, incluidos los de difícil acceso, peligrosos o sucios. Los sistemas robóticos en estos entornos pueden ayudar a observar, comprender y aprovechar mejor el comportamiento de los enjambres: adaptabilidad, fiabilidad y escalabilidad. En comparación con un único robot central, las ventajas de los sistemas robóticos en grupo son la amplia escalabilidad con una única comunicación local, la tolerancia a los fallos y la capacidad de autoorganización y autorregulación. El campo de aplicación de estas técnicas aumenta continuamente. Va desde las operaciones autónomas de búsqueda y rescate hasta el despliegue de sistemas autónomos descentralizados para la protección. Sin embargo, en la actualidad, la imprevisibilidad y la rápida dinámica del entorno externo determinan el número de problemas asociados a los datos incompletos y contradictorios sobre el estado del mundo exterior, así como a la información sobre otros miembros del equipo, con una variedad de opciones para lograr el objetivo, las estructuras del equipo, y otros. La resolución de estos problemas mejorará cualitativamente tanto el hardware como el software de los robots incluidos en los grupos, incrementará la flexibilidad del sistema y aumentará la fiabilidad y la potencia de un grupo de robots.