Вдохновленные стойкостью термитов и коллективным интеллектом, команда компьютерных ученых и инженеров из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете создала автономную роботизированную строительную бригаду. Системе не нужен ни супервизор, ни глаз в небе, ни связь: только простые роботы — любое количество роботов, — которые взаимодействуют, изменяя свое окружение.Гарвардская система TERMES демонстрирует, что коллективные системы роботов могут создавать сложные трехмерные структуры без необходимости какого-либо центрального управления или предписанных ролей.
Результаты четырехлетнего проекта были представлены на этой неделе на ежегодном собрании AAAS 2014 и опубликованы в выпуске журнала Science от 14 февраля.Роботы TERMES могут строить башни, замки и пирамиды из пеноблоков, самостоятельно сооружая лестницы для достижения более высоких уровней и добавляя кирпичи везде, где они необходимы. В будущем подобные роботы смогут укладывать мешки с песком перед наводнением или выполнять простые строительные работы на Марсе.
«Ключевое вдохновение, которое мы черпали у термитов, — это идея, что вы можете делать что-то действительно сложное в группе, без руководителя, и, во-вторых, вы можете делать это без явного обсуждения того, что происходит, а просто путем изменения окружающей среды», — говорит главный исследователь Радика Нагпал, профессор компьютерных наук Фреда Кавли в Гарвардском университете SEAS. Она также является одним из основных преподавателей в Институте Висса, где она является одним из руководителей платформы Bioinspired Robotics.«Большинство проектов строительства людей сегодня выполняется обученными рабочими в иерархической организации», — объясняет ведущий автор Джастин Верфель, штатный научный сотрудник по биовдохновленной робототехнике в Институте Висса и бывший научный сотрудник SEAS.
«Обычно вначале у вас есть план и подробный план того, как его выполнить, и бригадир выходит и руководит своей бригадой, наблюдая за ней, когда они это делают», — говорит он. «В колониях насекомых это не значит, что королева дает им все индивидуальные инструкции. Каждый термит не знает, что делают другие или каково текущее общее состояние насыпи».Вместо этого термиты полагаются на концепцию, известную как стигмергия, своего рода неявное общение: они наблюдают за изменениями окружающей среды друг друга и действуют соответственно. Именно для этого команда Нагпала разработала роботов и добилась впечатляющих результатов.
В дополнительных видеороликах, опубликованных к статье Science, показано, как роботы взаимодействуют для строительства нескольких видов конструкций и даже восстанавливаются после неожиданных изменений конструкций во время строительства.Каждый робот выполняет процесс сборки параллельно с другими, но не знает, кто еще работает одновременно. Если один робот сломается или должен уйти, это не повлияет на остальных.
Это также означает, что одни и те же инструкции могут выполнять пять или пятьсот роботов. Система TERMES является важным подтверждением концепции масштабируемого распределенного искусственного интеллекта.Группа исследования самоорганизующихся систем Нагпала специализируется на распределенных алгоритмах, которые позволяют очень большим группам роботов действовать как колония.
Тесные связи между компьютерными учеными, инженерами-электриками и биологами из Гарварда — ключ к успеху ее команды. Они создали рой дружелюбных килоботов несколько лет назад и вносят свой вклад в текущий проект RoboBee в области искусственного интеллекта в сотрудничестве с преподавателями Гарвардского университета Робертом Дж.
Вудом и Гу-Ён Вей.«Когда многие агенты собираются вместе — будь то термиты, пчелы или роботы — часто возникает какое-то интересное поведение более высокого уровня, которое невозможно предсказать, глядя на компоненты сами по себе», — говорит Верфель. «Вообще говоря, мы заинтересованы в том, чтобы связать то, что происходит на низком уровне с правилами отдельных агентов, с этими возникающими результатами».
Соавтор Кирстин Петерсен, аспирантка Гарвардского университета SEAS со стипендией Института Висс, возглавила разработку и создание роботов и кирпичей TERMES. Эти роботы могут выполнять все необходимые задачи — переносить блоки, подниматься по конструкции, прикреплять блоки и т. Д. — с помощью всего лишь четырех простых типов датчиков и трех исполнительных механизмов.«Мы совместно проектировали роботов и блоки, чтобы сделать систему максимально минималистичной и надежной», — говорит Петерсен. "Это не только помогает сделать систему более надежной; это также значительно упрощает объем вычислений, требуемых встроенным процессором. Идея состоит не только в том, чтобы уменьшить количество мелких ошибок, но, в большей степени, в их обнаружении и исправлении. прежде чем они перерастут в ошибки, которые могут стать фатальными для всей системы ".
В отличие от системы TERMES, в настоящее время роботизированные системы чаще зависят от центрального контроллера. Эти системы обычно полагаются на «глаз в небе», который может видеть весь процесс, или на то, что все роботы могут часто разговаривать друг с другом. Эти подходы могут повысить эффективность работы группы и помочь системе быстро восстановиться после проблем, но по мере увеличения числа роботов и размера их территории управлять этими системами становится все труднее. В опасных или удаленных средах центральный контроллер представляет собой единственную точку отказа, которая может вывести из строя всю систему.
«Может случиться так, что в конце концов вы захотите что-то среднее между централизованной и децентрализованной системой, но мы доказали крайний предел шкалы: это может быть как термиты», — говорит Нагпал. «И с точки зрения термитов, это отлично работает».Это исследование было поддержано Институтом биологической инженерии Висса при Гарвардском университете.Что умеет робот TERMES?- Двигайтесь вперед, назад и поворачивайте на месте- Поднимитесь вверх или вниз на ступеньку высотой в один кирпич- Возьмите кирпич, отнесите его и положите прямо перед собой.
— Обнаружение других кирпичей и роботов в непосредственной близости- Следите за своим местоположением относительно «семенного» кирпича.Каким инструкциям следуют роботы TERMES?
— Соблюдайте заранее установленные правила дорожного движения- Обведите растущую структуру, чтобы найти первый "семенной" кирпич (для ориентации).- Поднимитесь на конструкцию- Получить кирпич- Прикрепите кирпич в любом свободном месте, удовлетворяющем местным геометрическим требованиям.- Поднимитесь со строения- Повторить