Um enxame é um sistema de auto-coordenação de vários robôs que actuam como um único organismo, realizando uma tarefa comum. Na verdade, a robótica de grupo é uma tentativa de adoptar os pontos fortes de um verdadeiro enxame de abelhas, em que cada insecto desempenha o seu papel em benefício de toda a comunidade. Notavelmente, o termo levou-nos inicialmente a um nível de vida ainda mais baixo: simples células humanas que constroem um organismo gigante. Em 1988 o investigador japonês Toshio Fukuda utilizou o termo "robôs celulares" ou "robôs celulares" para se referir a um sistema robótico dinamicamente reconfigurável. Depois o termo foi "captado" e modificado pelo americano Gerardo Beni, que procurava uma "palavra-chave" e acabou por adoptar a ideia do seu colega Alex Meistel:
"A discussão foi bastante animada, e lembro-me de Alex Meistel dizer que 'robô celular' é um conceito excitante, mas o nome não apela; é preciso uma palavra extravagante [lit. 'buzzing'.- nota] para descrever 'este tipo de 'enxame'.
Gerardo Beni, Universidade da Califórnia
Metas e Objectivos
Desde o advento do conceito de inteligência de enxame, os investigadores têm articulado os principais atributos de um enxame. Tipicamente, consiste em robôs do mesmo tipo que podem interagir com os seus "companheiros" e o ambiente utilizando sensores simples mas não são rigidamente controlados "de cima" e não afectam o sistema de nível global.
As principais vantagens desta abordagem são:
- escalabilidade
- tolerância a falhas;
- flexibilidade na declaração de problemas e métodos para a alcançar;
- a utilização de robôs baratos, muitas vezes em miniatura;
- a possibilidade de execução paralela do mesmo tipo de operações;
- a imprevisibilidade do comportamento individual dos robôs.
Estes benefícios levaram à criação de complexos sistemas distribuídos concebidos para resolver problemas que não podem ser resolvidos por um único robô individual ou onde a enxameação é mais eficaz para alcançar o objectivo. A enxameação "fecha" assim três das quatro categorias de tarefas robóticas:
- Fundamentalmente, tarefas de um único agente.
- As tarefas requerem múltiplos agentes.
- Principalmente multi-agente.
- Ganhar com a utilização de vários agentes.
A abordagem distribuída simplifica consideravelmente o desenho do robô para o tornar mais barato para o transformar num "soldado universal". Tendo recursos sensoriais, de comunicação e computacionais limitados, um tal agente por si só não vale muito, mas juntamente com os seus "companheiros", pode resolver problemas muito complexos. O principal objectivo da robótica de grupo é criar e melhorar tais sistemas distribuídos auto-geridos.
Onde e como é utilizado
As capacidades dos sistemas distribuídos também determinam as suas áreas de aplicação. A robótica de grupo é vista como uma ferramenta essencial nos seguintes casos:
- em operações de salvamento, militares, e outras em que a participação directa é perigosa para os humanos (desminagem, acções de busca, limpeza de resíduos nucleares ou tóxicos, operações militares);
- quando a escala da tarefa é inicialmente desconhecida, e é necessário dimensionar o sistema através da adição ou remoção de robôs (por exemplo, no combate a um derrame de petróleo);
- Quando se trabalha em ambientes onde as telecomunicações e outras infra-estruturas para controlar robôs não estão disponíveis, tais como debaixo de água, no espaço, ou no mar aberto;
- quando as condições mudam rapidamente e é necessária flexibilidade de enxame (patrulhamento do terreno, salvamento durante as cheias ou após um furacão, pastagem autónoma de gado nas montanhas);
- quando é utilizado o factor da barateza de um robô e da alta velocidade do seu trabalho conjunto (indústria mineira, mondadura na agricultura, impressão em 3D de objectos de grandes dimensões).
Os departamentos militares de diferentes países estão a desenvolver activamente sistemas de enxameação.
Na China, tal solução é utilizada para a gestão autónoma de uma frota de pequenas embarcações que efectuam patrulhas conjuntas do território. As embarcações não tripuladas podem mudar a sua estratégia de comportamento quando aparecem objectos estranhos no seu percurso; por exemplo, fazem um círculo com sucesso em torno de uma ilha ou de um navio.
Soluções semelhantes estão disponíveis na Marinha dos EUA, que realizou testes de demonstração de enxame de barcos no rio James, na Virgínia, em 2014. Durante o ensaio, cinco barcos acompanharam o navio de bandeira, fornecendo cobertura. A Arquitectura de Controlo controla as acções das embarcações para o sistema de Comando e Detecção por Agente Robótico (CARACaS), construído sobre um desenho "extraterrestre". CARACaS é baseado em software e hardware desenvolvido inicialmente para controlar os rovers da NASA Mars.
O bom uso de sistemas de enxame é para controlar grupos de drones para busca, operações militares, mapeamento, rastreamento de objectos em movimento, gestão de terrenos agrícolas, e uma série de outras tarefas. A interacção dos enxames pode ser útil na micro e nanoescala, por exemplo, no diagnóstico de equipamento compacto ou mesmo no corpo humano.
Os principais desafios da criação de sistemas de enxameação.
Apesar da aparente simplicidade dos robôs, a interacção de grupo sem supervisão entre eles é bastante complicada. É estabelecida a nível individual através de algoritmos que controlam a actividade do robô e dos seus companheiros. É crucial determinar como um agente pessoal reage às mudanças locais (aproximação a outro robô, obstáculos, mudanças ambientais) e afecta as transformações globais.
Ao mesmo tempo, é bastante complicado calcular como um único objecto deve comportar-se para as acções óptimas de todo o sistema. O conceito de escalada introduz dificuldades adicionais porque é dispendioso e desafiante conduzir muitas experiências com um enxame natural. Os investigadores utilizam a modelação matemática para resolver este problema e a "inteligência artificial" e a chamada "evolução artificial" para treinar o algoritmo.
Um grupo separado de problemas é o hardware. Por exemplo, o funcionamento autónomo dos robôs pode ser resolvido utilizando baterias mais "avançadas" e criando estações de recarga automatizadas ou mesmo um sistema em que um agente carrega um "camarada de armas".
Outro desafio é a comunicação dentro do enxame, a troca de dados com a rede externa de telecomunicações e o carregamento de informação para a nuvem, se o conceito proporcionar tais capacidades. A "robótica na nuvem" é um nível ainda mais elevado de desafios que permitirá uma utilização mais eficiente do enxame de robôs, aumentará a sua capacidade de resposta aos eventos, e poderá gerar novos e algo inesperados nichos para aplicações da tecnologia do enxame. Sim, e os outros problemas, à medida que são resolvidos, são altamente susceptíveis de se tornarem uma fonte de progresso para a robótica do enxame e indústrias relacionadas, o que irá mudar radicalmente as TI e todas as nossas vidas.