Роботы, рассчитанные на работу «роем» в тысячи экземпляров.

19.08.2014, 00:07,
Техника

Просмотров: 0

Робот Kilobot

Миниатюрный робот, передвигающийся на трех вибрирующих ножках, не может сделать многого, действуя в одиночку. Но тысячи таких аналогичных «-мыслящих»- роботов представляют собой уже некоторую силу, своего рода «-рой»-, обладающий толикой группового поведения и разума, присущего роям насекомых, что позволяет этому рою выполнять более сложные действия. Ученые уже достаточно давно пытаются экспериментировать с «-роями»- роботов, но максимум, чего им удавалось добиться, это создание «-роев»-, состоящих из десятков и сотен роботов. А недавно, учены из Гарвардского университета удалось совершить прорыв в этом направлении, собрав и запрограммировав «-рой»- из крошечных простых роботов, насчитывающий 1024 единицы.

Давайте узнаем подробнее про это …-

То, что Вы видите на снимке —- это один экземпляр миниатюрного робота Kilobot. Это достаточно простой, небольшой робот, который может передвигаться на пружинящих ножках за счет вибрации и, мигая огнями, «-общаться»- с другими подобными роботами. Один образец такого робота не представляется чем-то внушительным, но роботы Kilobots и не разработаны для того, что бы работать индивидуально. Со стоимостью в 14 долларов и временем изготовления в пять минут, можно без проблем создать «-рой»- из сотен и тысяч таких роботов. А группа исследователей из Гарварда обходится «-роем»- численностью в 25 экземпляров.

Мы уже видели немало примеров из области робототехники, где используется идеология использования «-роя»- разнообразных роботов. Какая же разница между группой и «-роем»- роботов? В группе роботов всегда присутствует известное количество устройств, каждое их которых выполняет одну поставленную задачу, продвигая группу к выполнению общей цели. Выход из строя какого-либо члена группы делает невозможным достижение конечной цели. А в «-рое»- роботов количество «-особей»- может быть неопределенным, а распределение задач происходит динамически по мере появления свободных роботов. Таким образом «-рой»- является более независимым и жизнеспособным видом объединения устройств в единое целое, ведь, в случае чего, просто «-отряд не заметил потери бойца»-. Такая организация уже не раз подтвердила свою эффективность при реализации проектов RoboSwarm и FlyFire.

Есть множество задач, которые можно решать с помощью «-роев»- роботов, но и при их развертывании возникает немало проблем. Основные проблемы связаны с программированием каждого отдельного образца и зарядка их источников питания. Эти две проблемы пока еще не решаются достаточно эффективно, ведь робот Kilobot не в состоянии обмениваться информацией сразу со всеми членами «-роя»-, его световые сигналы видят только роботы из ближайшего окружения. Поэтому для повышения эффективности роя Kilobot используют центрального диспетчера, который способен осветить инфракрасным светом весь рой сразу, а заряжают таких роботов «-пачками»- зажимая их между двумя токопроводящими поверхностями. За счет применения таких решений «-рой»- становится масштабируемым, т.е. при увеличении количества особей время, затрачиваемое на управление роем, практически не увеличивается.

Созданию больших роев роботов может служить препятствием высокая стоимость этого процесса. Даже с учетом того, что стоимость одного робота Kilobot составляет всего 14 долларов, то развертывание роя из тысяч роботов потребует уже достаточно ощутимого финансирования. Поэтому исследователи, работающие в этом направлении, большую часть работы проводят с помощью компьютерных моделей, но рано или поздно все равно наступает момент, когда требуется проверка идей и решений в реальном мире с реальными роботами.

Группа из Гарварда, Self Organizing Systems Research Group, в ближайшее время планирует увеличить численность имеющегося у них роя роботов Kilobot до 1024. После этого, по мнению исследователей, рой сможет реализовать сложные поведенческие функции, такие как самовосстановление и совместные передвижения.

Это достижение является ключевым шагом к созданию огромных «-стад»- крошечных роботов, которые способны самостоятельно формироваться в более крупные объекты, в том числе и в роботов больших размеров. Кроме этого, изучение поведения «-роев»- роботов позволит ученым понять некоторые тонкости поведения стай рыб, птиц, роев пчел и в организацию таких сложных структур, как нейронные сети.

«-Используя роботов, имеющих колеса, датчики ориентации, одометры и камеры, мы можем гораздо проще и удобней изучать тонкости самоорганизации и группового поведения»- —- рассказывает Майк Рубинштейн (Mike Rubenstein), ученый в области робототехники, возглавляющий научную группу, —- «-Но такой подход является невероятно сложным и дорогим, что не позволит изготовить группы, насчитывающие тысячи роботов одновременно. А если сделать роботов слишком примитивными, то способности роя из таких роботов будут также существенно ограниченными. В этом деле нам всегда приходится искать компромисс»-.

Для создания самого большого роя исследователи использовали ранее спроектированных и изготовленных роботов «-Kilobots»-, размер каждого из которых сопоставим с размером средней монеты. Стоимость всех элементов конструкции робота составляет от 10 до 14 долларов, а процесс сборки одной единицы занимает всего несколько минут. Программирование роботов Kilobots осуществляется при помощи одного контроллера, имеющего излучатель инфракрасного света. И при помощи инфракрасного света роботы могут общаться друг с другом, передавая как команды, так и данные.

Конечно же, рой роботов Kilobots не способен на большие «-подвиги»-. Эти роботы способны лишь самоорганизовываться, выстраиваясь на плоской поверхности в различные фигуры. Согласно закладываемой в роботов программе, четыре робота из роя выступают в качестве опорных точек. Эти роботы постоянно передают окружающим, которые двигаются рядом с ними, свои координаты. И это позволяет каждому из роботов рассчитать точку, в которую ему необходимо переместиться и определить наиболее подходящий для перемещения путь. После этого каждый робот начинает движение, отслеживая свое текущее местоположение и ориентацию относительно ближайших к нему других роботов.

«-У подобных алгоритмов самоопределения и самоорганизации в будущем будет множество областей применения. И самой первой наиболее очевидной областью станут самоуправляемые автомобили-роботы»- —- рассказывает Майк Рубинштейн, —- «-К примеру, когда в одном месте скопится большое количество автомобилей-роботов, только такой алгоритм сможет обеспечить непрерывное движение транспортного потока и позволит избежать столкновений»-.

А, в конечном счете, дальнейшая миниатюризация роботов, являющихся единицами единого роя, может привести к появлению того, что называют термином «-программируемая материя«-. Представьте себе тысячи, сотни тысяч и миллионы крошечных механизмов, способных сформировать любую пространственную структуру любой степени прочности, начиная от мебели и заканчивая высокотехнологичными устройствами. Это можно рассматривать как своего рода моментальную трехмерную печать, использовать которую может любой желающий.

«-Конечно, до всего вышеперечисленного еще очень и очень далеко»- —- говорит Майк Рубинштейн, —- «-Сначала нам потребуется разработать роботов, которые могут формировать устойчивые и прочные трехмерные структуры. Кроме этого требуется усовершенствование программных алгоритмов и оснащение роботов более мощными вычислительными устройствами. Это необходимо для существенного ускорения работы программ самоорганизации, что позволит роботам самоорганизовываться в режиме реального времени. Сейчас наши роботы способны перемещаться лишь по одному за один раз, а сам процесс самоорганизации занимает несколько часов времени»-.

Более быстрые алгоритмы позволят организовывать рои из гораздо большего количества роботов. Следующим шагом, которые намерены предпринять гарвардские ученые, станет создание роя из 10 тысяч роботов. «-Для этого нам потребуются не только сами роботы, но и гораздо больший стол»- —- в полу-шутку заявил Майк Рубинштейн.