Atualmente, a robótica é um campo de conhecimento em rápido desenvolvimento com grande potencial em todas as esferas da sociedade moderna. Os mais relevantes desenvolvimentos recentes neste campo são os projetos de robótica de grupo. Estes estudos estão intimamente relacionados ao efeito do comportamento do sistema, que pode ser observado em vários insetos sociais chamados de inteligência de enxame. Tal característica é que regras claras e simples de conduta de cada membro do grupo criam um comportamento organizado complexo de todo o grupo. O comportamento de grupo pretendido é formado por robôs interagindo uns com os outros e seus arredores..
Robótica de enxame
A robótica de grupo, ou enxame, é um campo que explora e encontra novas abordagens para a coordenação de sistemas compostos por muitos robôs, predominantemente de um design simples. Em tais cenários, o comportamento preditivo do coletivo é o resultado da interação das unidades robotizadas entre si e com o meio ambiente. Os resultados de estudos biológicos de insetos, ou seja, formigas e abelhas, bem como os resultados de estudos em outras áreas da natureza onde ocorre o comportamento de enxameação, foram adaptados na direção da inteligência de enxameação artificial. A atividade de todo o enxame deve condicionar cada ação de uma unidade robotizada em tal sistema. A interação e a interconexão entre os robôs de fileira no sistema são ordenadas, e cada membro tem regras e tarefas. É a interação entre os membros do grupo que cria um feedback constante. Assim, o complexo comportamento organizado de todo o enxame é encarnado através de regras simples de conduta individual. A noção de controle central recua para segundo plano, e a inteligência do enxame, e até mesmo a inteligência de grupo dentro de um grande enxame emerge em seu lugar. O sistema será controlado com base na tarefa geral do grupo, assim como a localização de cada robô em um determinado momento, prevendo o comportamento dos participantes ao redor. A criação de sistemas complexos que consistem em componentes simples está conectada com a solução de vários problemas específicos, típicos dos robôs que trabalham em conjunto. Dentre eles, destacam-se os seguintes:
- A mudança constante e imprevisível do ambiente externo até e incluindo a reação consciente,
- dados incompletos sobre o ambiente e os membros do grupo
- uma grande variedade de vetores de formas de atingir a meta, estruturas da equipe, distribuição de papéis, etc.,
- caráter distribuído e dinâmico do planejamento das ações de um coletivo,
- problemas causados pelo fato de que os sistemas de enxame são um conjunto de objetos físicos funcionando em um ambiente complexo (problemas de comunicação confiáveis, distribuição da equipe no espaço etc.),
- outros problemas técnicos (arquitetura de rede, protocolos, ferramentas operacionais etc.).
Características de um enxame de robôs
As vantagens e características de um enxame de robôs podem ser rastreadas através da comparação desse sistema com um único robô. As características de um enxame de robôs's são similares às de enxames de insetos na natureza. Um robô individual geralmente tem uma estrutura complexa e vários módulos de controle, como resultado disso, os custos de projeto, desenvolvimento e manutenção são bastante altos. Um robô deste tipo é bastante vulnerável. Danos mesmo em peças pequenas podem levar à falha de todo o sistema. Um enxame de robôs executa as tarefas atribuídas através da interação intergrupal. Tais sistemas têm a vantagem de múltiplos usos de robôs simples, bem como baixo custo e baixos custos de manutenção. Os enxames de robôs são particularmente adequados para tarefas grandes e escalonáveis. Os sistemas de enxame são escaláveis, permitindo que as unidades robotizadas entrem ou saiam da interação a qualquer momento sem interromper a tarefa. Um enxame se adapta às mudanças no número de robôs que entram nele usando apenas comunicação local. Tal sistema pode ser criado usando radiofreqüência ou tecnologias de transmissão de dados por infravermelho sem fio. Isso significa que tais sistemas são flexíveis o suficiente para não exigir mudanças tanto no projeto quanto no software. Portanto, os robôs de enxame são bem aplicáveis às condições do mundo real. Também é impossível não notar tal propriedade de tais sistemas como o paralelismo. O número de participantes em um enxame de robôs aumenta muito rapidamente, dando aos grandes sistemas a capacidade de se concentrar em múltiplos objetivos dentro de uma única tarefa. Isso indica que tal enxame pode realizar tarefas que envolvem múltiplos alvos distribuídos em vários ambientes. Desta forma, reduzimos o tempo necessário para completar uma tarefa. A seguinte característica distintiva é a estabilidade. Com base na escalabilidade, um enxame de robôs é altamente confiável, mesmo quando algumas unidades robotizadas se tornaram inoperacionais devido a vários fatores. Os danos a um ou mais robôs do grupo geralmente não interrompem a operação. A redução do número de robôs em um enxame leva à degradação de tal sistema, reduzindo assim a eficiência da multidão. Ainda assim, a parte restante tende a realizar a tarefa em mãos. Tal característica é essencial para funções em condições extremas. A perda de funcionalidade de unidades individuais em um único robô pode interromper o trabalho que ele realiza, e tentativas de duplicar as unidades funcionais mais básicas de um robô levam a um aumento no peso, tamanho e custo do robô, mas não aumenta a eficiência (mesmo reduzindo-a, dado o grande tamanho e massa). A relação custo-eficácia de tais sistemas não pode ser ignorada. Resulta do exposto acima que o custo de manutenção, desenvolvimento e produção de enxames de robôs é significativamente menor do que o de um complexo de robôs individuais, mesmo que o número de colmeias seja de centenas ou milhares. A produção em massa de enxames de robôs é possível, ao contrário da produção em série de alta precisão de robôs pessoais. Com relação aos custos de energia, um único robô em um enxame tem um design simples e é menor que um robô individual; portanto, os custos de energia e a capacidade da bateria não são tão altos. Isso significa que o ciclo de vida de um enxame de robôs pode ser aumentado. Em um ambiente sem reservas de combustível ou energia, um enxame de robôs é mais adequado do que um robô individual tradicional.
Possíveis estratégias de gerenciamento para o sistema de enxame:
- centralizado - controle remoto com uma estação base dedicada, o líder do enxame é atribuído a partir de um nó central,
- Descentralizado - o líder do enxame é determinado com base em algum algoritmo e não depende da estação de controle central,
- Misto - combina as vantagens das estratégias centralizadas e descentralizadas ao alocar o líder do enxame baseado em um dos algoritmos com a transferência dos direitos de controle para o operador, se necessário. Dependendo da natureza da troca de informações no enxame, dois cenários são possíveis:
- Um robô que detectou um alvo informa suas coordenadas para robôs vizinhos, que passam essas informações pela cadeia para seus vizinhos até que sejam conhecidas por todos os robôs do grupo; eles então mudam sua trajetória em direção ao alvo.
- Um robô que detectou o alvo não pode informar suas coordenadas para outros robôs do enxame; ao fazê-lo, muda sua trajetória em direção ao alvo; outros robôs relacionados a ele pelas regras de distâncias admissíveis o seguem, ou seja, ele se torna o "líder" robô.
Aplicações de enxames de robôs
O número de aplicações possíveis de enxames de robôs é bastante grande. Entre eles:
- Extração de matérias-primas. Esta área de aplicação implica excelentes oportunidades, mas também exige muitas habilidades de um enxame de robôs, como exploração coletiva, encontrar o caminho mais curto, distribuição eficiente e gerenciamento de tarefas. Também inclui a tarefa de transportar um objeto coletivamente.
- Trabalhar em situações extremas, realizando operações de busca e salvamento em locais de desastres naturais e provocados pelo homem e em zonas de combate. Por exemplo, um enxame de robôs pode resolver o problema de remoção de minas mais rápido e mais barato do que um robô individual – executando operações técnicas, incluindo aquelas em indústrias perigosas e perigosas. Robôs de pequeno tamanho e peso podem se mover livremente em corredores apertados, passando despercebidos pelas estações de radar inimigas.
- Monitoramento, levantamento e estudo do planeta Terra e outros planetas do sistema solar. Também pode incluir a tarefa de vigilância de territórios e águas em condições de combate organizado do inimigo, o trabalho de busca de vítimas nos escombros após desastres naturais ou provocados pelo homem, e a tarefa de rastreamento e neutralização de artefatos explosivos em combate - operações terroristas em áreas urbanas densas.
- Limpar áreas de superfície, mar e água oceânica e espaço cósmico de substâncias químicas e radioativas perigosas.
- Realização de algumas operações cirúrgicas, como remoção não invasiva de tumores malignos. Avanços no design de robôs tendem a miniaturizar e tornar a construção mais barata. Robôs de enxame podem realizar funções de reconhecimento, inspecionando diversas estruturas, reduzindo o tempo necessário para concluir essa tarefa. Robôs em um enxame têm capacidades de senciência limitadas, mas a percepção coletiva da colmeia pode ser canalizada para implementar estudos globais (mapeamento de terreno). Tarefas como a exploração espacial usando nanorrobôs em veias e artérias humanas para fins médicos (para combater doenças) podem ser imaginadas em breve. Os fatores fundamentais nos sistemas robóticos swarming são o custo e a miniaturização. Esses são os dois principais desafios no desenvolvimento de grandes grupos de robôs. Com base no exposto, a abordagem mais justificada é implementar a inteligência de enxame para alcançar um comportamento significativo no nível do grupo, e não no nível individual. A robótica de enxames abre a possibilidade de criar enxames de robôs no futuro que podem resolver coletivamente muitas tarefas enquanto se unem informacional e fisicamente em uma única entidade com base no princípio da auto-organização. É crucial entender que a funcionalidade do enxame de robôs como um todo não é muito afetada pela falha de um único robô. No processo de criação de vários robôs, surge a tarefa de modelar diferentes algoritmos para implementar o movimento do robô, a cooperação com outros robôs vizinhos e a interação com o mundo exterior. Graças ao desenvolvimento de software, é possível testar os algoritmos desejados em um modelo virtual, estudar seus pontos fortes e fracos e eliminar deficiências sem ter que construir um robô real.
Deficiências atuais
O uso de sistemas robóticos de enxame ainda é raro. O tamanho do enxame muitas vezes depende do número de robôs disponíveis para as empresas ou agências de pesquisa e nem sempre é escolhido de acordo com o comportamento do enxame desejado. Embora a pesquisa esteja em andamento há décadas, ainda não houve um avanço na robótica de enxames, especialmente para aplicações industriais. É porque ainda há várias questões em aberto. Em primeiro lugar, a confiabilidade dos robôs de enxame é uma preocupação. Os enxames naturais operam com a suposição de que os membros individuais do enxame podem falhar. Alta confiabilidade e disponibilidade são necessárias em enxames projetados para manter o sistema funcionando. A falha de membros individuais do enxame pode aumentar os custos operacionais e levar a problemas de segurança. O comportamento de enxame com suas características emergentes, realizado por robôs autônomos que dependem de informações distribuídas, não pode fornecer as garantias de segurança necessárias. Portanto, muitos projetos industriais ainda contam com controle centralizado, como agricultura e armazéns. Nesses projetos, o termo "swarm" é usado exclusivamente para se referir a um grande número de agentes. As implementações ignoram a ideia básica da robótica de enxames, que é a tomada de decisão distribuída que leva ao comportamento auto-organizado. Embora os robôs possam detectar seu ambiente, coletar dados localmente e transmitir esses dados para o resto do enxame, eles contam com uma unidade central. Essa unidade central ou predetermina o comportamento de cada robô ou, em cenários mais dinâmicos, processa as informações recebidas do robô para controlar seu comportamento. Além das limitações tecnológicas, a segurança é uma questão essencial na comunicação. É de particular interesse para aplicações militares. Primeiro, as informações trocadas pelos robôs podem ser confidenciais e não devem ser divulgadas a essas partes. Em segundo lugar, o comportamento do enxame pode ser influenciado com base nas informações que os membros do enxame recebem. Isso significa que o comportamento do enxame pode ser afetado alterando as mensagens trocadas pelos robôs ou introduzindo informações falsas no enxame. Portanto, a comunicação na multidão deve ser criptografada. É crucial quando uma estação central envia comandos para controlar o enxame.
Perspectivas para mais melhorias e aplicativos
Os algoritmos de enxameação são baseados no comportamento auto-organizador do enxame, como observado em sistemas naturais fervilhantes, como colônias de insetos ou bandos de aves, que podem operar sob condições altamente diversas e dinâmicas. O mesmo é válido para os enxames de robôs. Eles são projetados para funcionar no mundo físico, que normalmente enfrenta constantes mudanças dinâmicas e deve lidar com eventos e condições externas que são difíceis de prever ou modelar. Além do tremendo potencial para aplicações em campos como logística, agricultura e inspeção, um ambiente de trabalho adequado para enxames é colocado inadequado para humanos, incluindo aqueles que são difíceis de alcançar, perigosos ou sujos. Sistemas robotizados nestes ambientes podem ajudar a melhor observar, compreender e tirar proveito do comportamento de enxameação: adaptabilidade, confiabilidade e escalabilidade. Em comparação com um único robô central, as vantagens dos sistemas de grupos robóticos são a ampla escalabilidade com uma única comunicação local, a tolerância a falhas e a capacidade de auto-organização e auto-regulamentação. O campo de aplicação de tais técnicas está aumentando continuamente. Vai desde operações autônomas de busca e resgate até a implantação de sistemas autônomos descentralizados para proteção. Entretanto, atualmente, a imprevisibilidade e a rápida dinâmica do ambiente externo determinam o número de problemas associados a dados incompletos e contraditórios sobre o estado do mundo exterior, bem como informações sobre outros membros da equipe, com uma variedade de opções para atingir o objetivo, estruturas de equipe e outras. A solução destes problemas melhorará qualitativamente tanto o hardware quanto o software dos robôs incluídos nos grupos, aumentará a flexibilidade do sistema's e aumentará a confiabilidade e a potência de um grupo de robôs.