Intelligenza di sciame e comportamento dei robot di sciame

Attualmente, la robotica è un campo di conoscenza in rapido sviluppo con un grande potenziale in tutte le sfere della società moderna. Gli sviluppi recenti più rilevanti in questo campo sono i progetti di robotica di gruppo. Questi studi sono strettamente legati all'effetto del comportamento del sistema, che può essere osservato in vari insetti sociali chiamati intelligenza di sciame. Tale caratteristica consiste nel fatto che regole di comportamento chiare e semplici di ciascun membro del gruppo creano un comportamento complesso e organizzato dell'intero gruppo. Il comportamento del gruppo è formato da robot che interagiscono tra loro e con l'ambiente circostante.

Robotica a sciame

La robotica di gruppo, o di sciame, è un campo che esplora e trova nuovi approcci per coordinare sistemi composti da molti robot, prevalentemente di concezione semplice. In questi scenari, il comportamento predittivo del collettivo è il risultato dell'interazione delle unità robotiche tra loro e con l'ambiente. I risultati degli studi biologici sugli insetti, in particolare formiche e api, nonché i risultati degli studi in altre aree della natura in cui si verificano comportamenti di sciamatura, sono stati adattati in direzione dell'intelligenza artificiale degli sciami. L'attività dell'intero sciame dovrebbe condizionare ogni azione di un'unità robotica in tale sistema. L'interazione e l'interconnessione tra i robot del sistema sono ordinate e ogni membro ha regole e compiti. È l'interazione tra i membri del gruppo che crea un feedback costante. Di conseguenza, il complesso comportamento organizzato dell'intero sciame è incarnato da semplici regole di condotta individuale. La nozione di controllo centrale passa in secondo piano ed emerge invece l'intelligenza dello sciame e persino l'intelligenza di gruppo all'interno di un grande sciame. Il sistema sarà controllato in base al compito generale del gruppo e alla posizione di ciascun robot in un determinato momento, prevedendo il comportamento dei partecipanti circostanti. La creazione di sistemi complessi costituiti da componenti semplici è legata alla risoluzione di diversi problemi specifici, tipici dei robot che lavorano insieme. Tra questi, si segnalano i seguenti:

• L'imprevedibile costante mutamento dell'ambiente esterno fino al contrasto consapevole e compreso,
• dati incompleti sull'ambiente e sui membri del gruppo
• una grande varietà di vettori di modi per raggiungere l'obiettivo, strutture del team, distribuzione dei ruoli, ecc.
• carattere distribuito e dinamico della pianificazione di azioni di un collettivo,
• problemi causati dal fatto che i sistemi di sciamatura sono un insieme di oggetti fisici che funzionano in un ambiente complesso (problemi di comunicazione affidabile, distribuzione del team nello spazio, ecc.),
• altri problemi tecnici (architettura di rete, protocolli, strumenti operativi, ecc.).

Caratteristiche di uno sciame di robot

I vantaggi e le caratteristiche di uno sciame di robot possono essere tracciati confrontando un tale sistema con un singolo robot. Le caratteristiche di uno sciame di robot sono simili a quelle degli sciami di insetti in natura. Un singolo robot ha solitamente una struttura complessa e vari moduli di controllo, per cui i costi di progettazione, sviluppo e manutenzione sono piuttosto elevati. Un tale robot è piuttosto vulnerabile. Danni anche a piccole parti possono portare al guasto dell'intero sistema. Uno sciame di robot esegue i compiti assegnati attraverso l'interazione tra i gruppi. Tali sistemi hanno il vantaggio di molteplici usi di semplici robot, oltre a bassi costi e bassi costi di manutenzione. I robot sciame sono particolarmente adatti per compiti scalabili e di grandi dimensioni. I sistemi Swarm sono scalabili, consentendo alle unità robotiche di entrare o uscire dall'interazione in qualsiasi momento senza interrompere l'attività. Uno sciame si adatta ai cambiamenti nel numero di robot che vi entrano utilizzando solo la comunicazione locale. Un tale sistema potrebbe essere creato utilizzando tecnologie di trasmissione dati wireless a radiofrequenza o infrarossi. Significa che tali sistemi sono sufficientemente flessibili da non richiedere modifiche sia alla progettazione che al software. Pertanto, i robot sciame sono ben applicabili alle condizioni del mondo reale. È anche impossibile non notare una tale proprietà di tali sistemi come il parallelismo. Il numero di partecipanti a uno sciame di robot aumenta abbastanza rapidamente, dando ai grandi sistemi la possibilità di concentrarsi su più obiettivi all'interno di una singola attività. Indica che un tale sciame può eseguire attività che coinvolgono più obiettivi distribuiti su vari ambienti. In questo modo, riduciamo il tempo necessario per completare un'attività. La seguente caratteristica distintiva è la stabilità. Sulla base della scalabilità, uno sciame di robot è altamente affidabile, anche quando alcune unità robotiche sono diventate inutilizzabili a causa di vari fattori. Il danneggiamento di uno o più robot del gruppo generalmente non interrompe il funzionamento. Ridurre il numero di robot in uno sciame porta al degrado di un tale sistema, riducendo così l'efficienza della moltitudine. Tuttavia, la parte rimanente tende a svolgere il compito a portata di mano. Tale caratteristica è essenziale per le funzioni in condizioni estreme. La perdita di funzionalità delle singole unità in un singolo robot può interrompere il lavoro che esegue e i tentativi di duplicare le unità funzionali più elementari di un robot portano ad un aumento di peso, dimensioni e costo del robot ma non aumentano l'efficienza ( anche ridurlo, date le grandi dimensioni e massa). L'economicità di tali sistemi non può essere trascurata. Ne consegue che il costo di manutenzione, sviluppo e produzione di sciami di robot è significativamente inferiore a quello di un complesso di singoli robot singoli, anche se il numero di alveari è di centinaia o migliaia. La produzione in serie di sciami di robot è possibile in contrasto con la produzione in serie ad alta precisione di robot personali. Per quanto riguarda i costi energetici, un singolo robot in uno sciame ha un design semplice ed è più piccolo di un singolo robot; pertanto, i costi energetici e la capacità della batteria non sono così elevati. Significa che il ciclo di vita di uno sciame di robot può essere aumentato. In un ambiente senza riserve di carburante o di potenza, uno sciame di robot è più adatto di un tradizionale robot individuale.

Possibili strategie di gestione del sistema swarm:

• centralizzato - telecomando con una stazione base dedicata, il leader dello sciame è assegnato da un nodo centrale,
• Decentralizzato: il leader dello sciame è determinato sulla base di un algoritmo e non dipende dalla stazione di controllo centrale,
• Misto - combina i vantaggi delle strategie centralizzate e decentralizzate assegnando lo swarm leader basato su uno degli algoritmi con il trasferimento dei diritti di controllo all'operatore, se necessario. A seconda della natura dello scambio di informazioni nello sciame, sono possibili due scenari:

1. Un robot che ha rilevato un bersaglio segnala le sue coordinate ai robot vicini, che trasmettono queste informazioni lungo la catena ai loro vicini finché non sono note a tutti i robot del gruppo; poi cambiano la loro traiettoria verso il bersaglio.
2. Un robot che ha rilevato il bersaglio non può dire le sue coordinate ad altri robot nello sciame; così facendo cambia la sua traiettoria verso il bersaglio; altri robot ad esso legati dalle regole delle distanze ammissibili lo seguono, cioè diventa il "leader" robot.

Applicazioni di sciami di robot

Il numero di possibili applicazioni degli sciami di robot è piuttosto ampio. Tra questi:

• Estrazione delle materie prime. Questa area di applicazione implica eccellenti opportunità ma richiede anche molte abilità da parte di uno sciame di robot, come l'esplorazione collettiva, la ricerca del percorso più breve, una distribuzione efficiente e la gestione delle attività. Include anche il compito di trasportare collettivamente un oggetto.
• Lavorare in situazioni estreme, svolgere operazioni di ricerca e soccorso nei luoghi di calamità naturali e provocate dall'uomo e nelle zone di combattimento. Ad esempio, uno sciame di robot può risolvere il problema dello sminamento in modo più rapido ed economico di un singolo robot che esegue operazioni tecniche, comprese quelle in industrie pericolose e pericolose. Robot di piccole dimensioni e peso possono muoversi liberamente in corridoi angusti, rimanendo inosservati dalle stazioni radar nemiche.
• Monitoraggio, rilevamento e studio del pianeta Terra e di altri pianeti del sistema solare. Può comprendere anche il compito di sorveglianza di territori e acque in condizioni di contrasto organizzato del nemico, il compito di ricercare vittime tra le macerie dopo disastri naturali o provocati dall'uomo, e il compito di rintracciare e neutralizzare ordigni esplosivi in -operazioni terroristiche in aree urbane dense.
• Pulire la superficie, le aree marine e oceaniche e lo spazio cosmico da sostanze chimiche e radioattive pericolose.
• Esecuzione di alcune operazioni chirurgiche, come la rimozione non invasiva di tumori maligni. I progressi nella progettazione dei robot tendono a miniaturizzare e rendere la costruzione più economica. I robot sciame possono svolgere funzioni di ricognizione, ispezionare varie strutture, riducendo il tempo necessario per completare questo compito. I robot in uno sciame hanno capacità senzienti limitate, ma la percezione collettiva dell'alveare può essere incanalata per implementare studi globali (mappatura del terreno). Tali compiti come l'esplorazione dello spazio utilizzando nanorobot nelle vene e nelle arterie umane per scopi medici (per combattere le malattie) possono essere immaginati a breve. I fattori fondamentali nello sciame di sistemi robotici sono i costi e la miniaturizzazione. Queste sono le due sfide principali nello sviluppo di grandi gruppi di robot. Sulla base di quanto sopra, l'approccio più giustificato è implementare l'intelligenza dello sciame per ottenere un comportamento significativo a livello di gruppo piuttosto che a livello individuale. La robotica degli sciami apre la possibilità di creare sciami di robot in futuro che possono risolvere collettivamente molti compiti mentre si uniscono a livello informativo e fisico in un'unica entità basata sul principio dell'auto-organizzazione. È fondamentale capire che la funzionalità dello sciame di robot nel suo insieme non è molto influenzata dal guasto di un singolo robot. Nel processo di creazione di vari robot, sorge il compito di modellare diversi algoritmi per implementare il movimento del robot, la cooperazione con altri robot vicini e l'interazione con il mondo esterno. Grazie allo sviluppo del software, è possibile testare gli algoritmi desiderati su un modello virtuale, studiarne i punti di forza e di debolezza ed eliminare le carenze senza dover costruire un vero robot.

Carenze attuali

L'uso di sistemi robotici a sciame è attualmente ancora raro. La dimensione dello sciame dipende spesso dal numero di robot a disposizione delle aziende o delle agenzie di ricerca e non sempre viene scelta in base al comportamento desiderato dello sciame. Nonostante la ricerca sia in corso da decenni, non si è ancora arrivati a una svolta nella robotica a sciame, soprattutto per le applicazioni industriali. Questo perché ci sono ancora diverse questioni aperte. Innanzitutto, l'affidabilità dei robot a sciame è un problema. Gli sciami naturali operano con il presupposto che i singoli membri dello sciame possano fallire. Negli sciami ingegnerizzati sono richieste alta affidabilità e disponibilità per mantenere il sistema in funzione. Il fallimento di singoli membri dello sciame può aumentare i costi operativi e portare a problemi di sicurezza. Il comportamento dello sciame, con le sue caratteristiche emergenti, eseguito da robot autonomi che si affidano a informazioni distribuite, non può fornire le garanzie di sicurezza richieste. Pertanto, molti progetti industriali si affidano ancora al controllo centralizzato, come l'agricoltura e i magazzini. In questi progetti, il termine "sciame" viene utilizzato esclusivamente per indicare un gran numero di agenti. Queste implementazioni ignorano l'idea di base della robotica degli sciami, che consiste in un processo decisionale distribuito che porta a un comportamento auto-organizzato. Sebbene i robot siano in grado di rilevare l'ambiente circostante, raccogliere dati a livello locale e trasmetterli al resto dello sciame, si affidano a un'unità centrale. Questa unità centrale predetermina il comportamento di ciascun robot oppure, in scenari più dinamici, elabora le informazioni ricevute dal robot per controllarne il comportamento. Oltre alle limitazioni tecnologiche, la sicurezza è una questione essenziale nella comunicazione. È di particolare interesse per le applicazioni militari. In primo luogo, le informazioni scambiate dai robot possono essere sensibili e non devono essere divulgate a terzi. In secondo luogo, il comportamento dello sciame può essere influenzato dalle informazioni che i membri dello sciame ricevono. Ciò significa che il comportamento dello sciame può essere influenzato modificando i messaggi scambiati dai robot o introducendo false informazioni nello sciame. Pertanto, la comunicazione nella moltitudine deve essere criptata. È fondamentale quando una stazione centrale invia comandi per controllare lo sciame.

Prospettive di ulteriori miglioramenti e applicazioni

Gli algoritmi di sciamatura si basano sul comportamento auto-organizzato degli sciami, come quello osservato nei sistemi naturali brulicanti, quali le colonie di insetti o gli stormi di uccelli, che possono operare in condizioni estremamente diverse e dinamiche. Lo stesso vale per gli sciami di robot. Essi sono progettati per operare nel mondo fisico, che tipicamente affronta continui cambiamenti dinamici e deve far fronte a eventi e condizioni esterne difficili da prevedere o modellare. Oltre all'enorme potenziale per le applicazioni in campi come la logistica, l'agricoltura e l'ispezione, un ambiente di lavoro adatto agli sciami è costituito da luoghi non adatti agli esseri umani, compresi quelli difficili da raggiungere, pericolosi o sporchi. I sistemi robotici in questi ambienti possono aiutare a osservare, comprendere e sfruttare meglio il comportamento degli sciami: adattabilità, affidabilità e scalabilità. Rispetto a un singolo robot centrale, i vantaggi dei sistemi robotici di gruppo sono l'ampia scalabilità con un'unica comunicazione locale, la tolleranza ai guasti e la capacità di auto-organizzarsi e auto-regolarsi. Il campo di applicazione di queste tecniche è in continua crescita. Si va dalle operazioni autonome di ricerca e soccorso all'impiego di sistemi autonomi decentralizzati per la protezione. Tuttavia, attualmente, l'imprevedibilità e la rapida dinamica dell'ambiente esterno determinano una serie di problemi associati a dati incompleti e contraddittori sullo stato del mondo esterno, nonché informazioni sugli altri membri della squadra, con una varietà di opzioni per raggiungere l'obiettivo, strutture di squadra e altro. La soluzione di questi problemi migliorerà qualitativamente sia l'hardware che il software dei robot inclusi nei gruppi, aumenterà la flessibilità del sistema e aumenterà l'affidabilità e la potenza di un gruppo di robot.