De sociale dyr, der inspirerer til ny adfærd for robotsværme

Fra fugleflokke til fiskeskoler i havet, eller tårnhøje termithøje, mange sociale grupper i naturen eksisterer sammen for at overleve og trives. Denne kooperative adfærd kan bruges af ingeniører som "bio-inspiration" til at løse praktiske menneskelige problemer, og af computerforskere, der studerer sværmintelligens.

"Swarm robotics" tog fart i begyndelsen af ​​2000'erne, et tidligt eksempel er "s-bot" (forkortelse for sværm-bot). Dette er en fuldt autonom robot, der kan udføre grundlæggende opgaver, herunder navigation og fatning i objekter, og som kan samles i kæder for at krydse huller eller trække tunge byrder. For nylig, "TERMES" robotter er udviklet som et koncept inden for konstruktion, og "CoCoRo" -projektet har udviklet en undervandsrobotsværm, der fungerer som en fiskeskole, der udveksler information for at overvåge miljøet. Indtil nu, Vi er kun lige begyndt at udforske de store muligheder, som dyrekollektiver og deres adfærd kan tilbyde som inspiration til robotsværmsdesign.

Robotter, der kan samarbejde i stort antal, kunne opnå ting, der ville være vanskelige eller endda umulige for en enkelt enhed. Efter et jordskælv, for eksempel, en sværm af søge- og redningsrobotter kunne hurtigt udforske flere kollapsede bygninger på udkig efter tegn på liv. Truet af en stor løbeild, en sværm af droner kunne hjælpe redningstjenester med at spore og forudsige brandens spredning. Eller en sværm af flydende robotter ("Row-bots") kunne nippe væk ved oceaniske affaldspletter, drevet af plastædende bakterier.

Bio-inspiration inden for sværmrobotik starter normalt med sociale insekter-myrer, bier og termitter - fordi kolonimedlemmer er meget beslægtede, hvilket favoriserer imponerende samarbejde. Tre yderligere egenskaber appellerer til forskere:robusthed, fordi enkeltpersoner kan gå tabt uden at påvirke præstationerne; fleksibilitet, fordi sociale insektarbejdere er i stand til at reagere på skiftende arbejdsbehov; og skalerbarhed, fordi en kolonis decentrale organisation er bæredygtig med 100 arbejdere eller 100, 000. Disse egenskaber kan især være nyttige til udførelse af job såsom miljøovervågning, som kræver dækning af enorme, varierede og til tider farlige områder.

Social læring

Ud over sociale insekter, andre arter og adfærdsfænomener i dyreriget tilbyder inspiration til ingeniører. Et voksende område af biologisk forskning er inden for dyrkulturer, hvor dyr engagerer sig i social læring for at opfange adfærd, som de usandsynligt vil innovere alene. For eksempel, hvaler og delfiner kan have særprægede fourageringsmetoder, der overføres gennem generationerne. Dette inkluderer former for værktøjsbrug - der er blevet observeret delfiner, der bryder marinesvampe af for at beskytte deres næb, når de rotter rundt efter fisk, som en person kan lægge en handske over en hånd.

Former for social læring og kunstige robotkulturer, måske ved hjælp af former for kunstig intelligens, kunne være meget kraftfuld til at tilpasse robotter til deres miljø over tid. For eksempel, hjælpende robotter til hjemmepleje kunne tilpasse sig menneskelige adfærdsforskelle i forskellige samfund og lande over tid.

Robot (eller dyr) kulturer, imidlertid, afhænger af læringsevner, der er dyre at udvikle, kræver en større hjerne - eller i tilfælde af robotter, en mere avanceret computer. Men værdien af ​​"sværm" tilgang er at implementere robotter, der er enkle, billig og engang. Swarm robotics udnytter virkeligheden ved fremkomsten ("mere er anderledes") til at skabe social kompleksitet ud fra individuel enkelhed. En mere grundlæggende form for "læring" om miljøet ses i naturen - i følsomme udviklingsprocesser - som ikke kræver en stor hjerne.

'Fænotypisk plasticitet'

Nogle dyr kan ændre adfærdstype, eller endda udvikle forskellige former, former eller interne funktioner, inden for samme art, på trods af den samme indledende "programmering". Dette er kendt som "fænotypisk plasticitet" - hvor generne i en organisme producerer forskellige observerbare resultater afhængigt af miljøforholdene. Sådan fleksibilitet kan ses hos de sociale insekter, men nogle gange endnu mere dramatisk hos andre dyr.

De fleste edderkopper er decideret ensomme, men i omkring 20 af 45, 000 edderkoppearter, individer bor i en fælles rede og fanger mad på et delt web. Disse sociale edderkopper drager fordel af at have en blanding af "personlighed" typer i deres gruppe, for eksempel fed og genert.

Min forskning identificerede en fleksibilitet i adfærd, hvor genert edderkopper ville træde ind i en rolle, der blev fraflyttet af fraværende dristige redekammerater. Dette er nødvendigt, fordi edderkoppekolonien har brug for en balance mellem dristige individer for at tilskynde til kollektiv predation, og mere genert til at fokusere på redenvedligeholdelse og forældrepleje. Robotter kan programmeres med justerbar risikotagende adfærd, følsom over for gruppesammensætning, med dristigere robotter, der træder ind i farlige miljøer, mens de skyere ved at holde tilbage. Dette kan være meget nyttigt i kortlægningen af ​​et katastrofeområde som Fukushima, herunder dens farligste dele, samtidig undgå at for mange robotter i sværmen bliver beskadiget på én gang.

Evnen til at tilpasse sig

Rørpadder blev introduceret i Australien i 1930'erne som skadedyrsbekæmpelse, og er siden selv blevet en invasiv art. I nye områder ses stoktudser at være noget sociale. En grund til deres vækst i antal er, at de er i stand til at tilpasse sig et bredt temperaturområde, en form for fysiologisk plasticitet. Sværme af robotter med mulighed for at skifte strømforbrugstilstand, afhængigt af miljøforhold som f.eks. omgivelsestemperatur, kunne være betydeligt mere holdbare, hvis vi vil have dem til at fungere autonomt på lang sigt. For eksempel, hvis vi vil sende robotter af sted for at kortlægge Mars, skal de klare temperaturer, der kan svinge fra -150 ° C ved polerne til 20 ° C ved ækvator.

Ud over adfærdsmæssig og fysiologisk plasticitet, nogle organismer viser morfologisk (form) plasticitet. For eksempel, nogle bakterier ændrer deres form som reaktion på stress, bliver langstrakt og så mere modstandsdygtig over for at blive "spist" af andre organismer. Hvis sværme af robotter kan kombineres modulært og (gen) samles til mere passende strukturer, kan dette være meget nyttigt i uforudsigelige miljøer. For eksempel, grupper af robotter kunne aggregeres sammen for sikkerheden, når vejret tager en udfordrende drejning.

Uanset om det er "kulturer" udviklet af dyregrupper, der er afhængige af indlæringsevner, eller den mere grundlæggende evne til at ændre "personlighed", indre funktion eller form, sværmrobotik har stadig masser af kilometertal tilbage, når det kommer til at hente inspiration fra naturen. Vi ønsker måske endda at blande og matche adfærd fra forskellige arter, at skabe robot "hybrider" af vores egne. Menneskeheden står over for udfordringer lige fra klimaændringer, der påvirker havstrømme, til et voksende behov for fødevareproduktion, til rumforskning-og sværmrobotik kan spille en afgørende rolle givet den rigtige bioinspiration.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.