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Robótica de enjambre

Enjambre de microrobots Jasmine de código abierto que se recargan a sí mismos
Un equipo de robots de iRobot Create en el Instituto de Tecnología de Georgia

La robótica de enjambre es un enfoque para la coordinación de múltiples robots como un sistema que consta de un gran número de robots físicos en su mayoría simples . En un enjambre de robots, el comportamiento colectivo de los robots resulta de interacciones locales entre los robots y entre los robots y el entorno en el que actúan. [1] Se supone que un comportamiento colectivo deseado emerge de las interacciones entre los robots y las interacciones de los robots con el entorno. Esta idea surgió en el campo de la inteligencia artificial de enjambre , así como en los estudios de insectos, hormigas y otros campos de la naturaleza, donde ocurre el comportamiento de enjambre . [2]

Definición

La investigación de la robótica de enjambre estudia el cuerpo físico y los comportamientos de control de los robots. Está inspirada, pero no limitada, por [3] el comportamiento emergente observado en los insectos sociales , llamado inteligencia de enjambre . Unas reglas individuales relativamente simples pueden producir un gran conjunto de comportamientos de enjambre complejos . Un componente clave es la comunicación entre los miembros del grupo que construyen un sistema de retroalimentación constante. El comportamiento de enjambre implica un cambio constante de los individuos en cooperación con otros, así como el comportamiento de todo el grupo.

A diferencia de los sistemas robóticos distribuidos en general, la robótica de enjambre enfatiza una gran cantidad de robots y promueve la escalabilidad , por ejemplo, utilizando solo comunicación local. [4] Esa comunicación local, por ejemplo, se puede lograr mediante sistemas de transmisión inalámbrica , como radiofrecuencia o infrarrojos . [5]

Objetivos y aplicaciones

La miniaturización y el costo son factores clave en la robótica de enjambre. Estas son las limitaciones en la construcción de grandes grupos de robots; por lo tanto, se enfatiza la simplicidad del miembro individual del equipo. Esto motiva un enfoque de inteligencia de enjambre para lograr un comportamiento significativo a nivel de enjambre, en lugar de a nivel individual.
Mucha investigación se ha dirigido a este objetivo de simplicidad a nivel de robot individual. [ cita requerida ] Poder usar hardware real en la investigación de la robótica de enjambre en lugar de simulaciones permite a los investigadores encontrar y resolver muchos más problemas y ampliar el alcance de la investigación de enjambre. Por lo tanto, el desarrollo de robots simples para la investigación de inteligencia de enjambre es un aspecto muy importante del campo. Los objetivos incluyen mantener bajo el costo de los robots individuales para permitir la escalabilidad , haciendo que cada robot demande menos recursos y sea más eficiente energéticamente.

En comparación con los robots individuales, un enjambre puede comúnmente descomponer sus misiones asignadas en sus subtareas; [6] un enjambre es más robusto a fallas parciales y es más flexible con respecto a diferentes misiones. [7]

Un sistema de enjambre de este tipo es el sistema robótico LIBOT [8] , que consiste en un robot de bajo coste diseñado para la robótica de enjambre en exteriores. Los robots también están diseñados para su uso en interiores a través de Wi-Fi, ya que los sensores GPS proporcionan una comunicación deficiente dentro de los edificios. Otro intento similar es el micro robot (Colias), [9] construido en el Laboratorio de Inteligencia Computacional de la Universidad de Lincoln , Reino Unido. Este micro robot está construido sobre un chasis circular de 4 cm y es una plataforma abierta y de bajo coste para su uso en una variedad de aplicaciones de robótica de enjambre.

Cinco principios de la inteligencia robótica de enjambre

El diseño de sistemas robóticos de enjambre se guía por principios de inteligencia de enjambre, que promueven la tolerancia a fallas, la escalabilidad y la flexibilidad.[1] Si bien existen varias formulaciones de principios de inteligencia de enjambre, un conjunto ampliamente reconocido incluye:

  1. Conciencia: Cada miembro del enjambre debe ser consciente de su entorno y sus capacidades.
  2. Autonomía: Los robots individuales deben funcionar como unidades autónomas, no como esclavos de un controlador central. Esto permite la asignación de tareas de forma autocoordinada.
  3. Solidaridad: los miembros del enjambre deben cooperar de manera solidaria. Al completar una tarea, cada robot debe buscar de forma independiente nuevas tareas en función de su posición actual.
  4. Capacidad de expansión: el sistema debe permitir una expansión dinámica, permitiendo que se agreguen nuevos miembros sin problemas.
  5. Resiliencia: El enjambre debe ser autocurativo. Si se eliminan miembros, los robots restantes deben hacerse cargo de las tareas pendientes. [10]

Aplicaciones

Las posibles aplicaciones de la robótica de enjambre son muchas. Incluyen tareas que exigen miniaturización ( nanorobótica , microrobótica ), como tareas de detección distribuida en micromaquinaria o el cuerpo humano. Uno de los usos más prometedores de la robótica de enjambre es en misiones de búsqueda y rescate . [11] Se podrían enviar enjambres de robots de diferentes tamaños a lugares a los que los rescatistas no pueden llegar de forma segura, para explorar el entorno desconocido y resolver laberintos complejos mediante sensores integrados. [11] Por otro lado, la robótica de enjambre puede ser adecuada para tareas que exigen diseños baratos, por ejemplo, tareas de minería o de pastoreo agrícola. [12]

Más controvertida aún es la posibilidad de que enjambres de robots militares formen un ejército autónomo. Las fuerzas navales estadounidenses han probado un enjambre de barcos autónomos que pueden dirigir y emprender acciones ofensivas por sí solos. Los barcos no están tripulados y pueden equiparse con cualquier tipo de equipo para disuadir y destruir a los buques enemigos. [13]

Durante la guerra civil siria , las fuerzas rusas en la región informaron sobre ataques a su principal base aérea en el país por enjambres de drones de ala fija cargados con explosivos. [14]

La mayoría de los esfuerzos se han centrado en grupos relativamente pequeños de máquinas. Sin embargo, en 2014 Harvard demostró un enjambre formado por 1.024 robots individuales, el más grande hasta la fecha. [15]

Otro gran conjunto de aplicaciones puede resolverse utilizando enjambres de microvehículos aéreos , que también se investigan ampliamente en la actualidad. En comparación con los estudios pioneros de enjambres de robots voladores que utilizan sistemas de captura de movimiento precisos en condiciones de laboratorio, [16] los sistemas actuales como Shooting Star pueden controlar equipos de cientos de microvehículos aéreos en entornos exteriores [17] utilizando sistemas GNSS (como GPS) o incluso estabilizarlos utilizando sistemas de localización a bordo [18] donde el GPS no está disponible. [19] [20] Los enjambres de microvehículos aéreos ya se han probado en tareas de vigilancia autónoma, [21] seguimiento de columnas de humo, [22] y reconocimiento en una falange compacta. [23] Se han realizado numerosos trabajos sobre enjambres cooperativos de vehículos terrestres y aéreos no tripulados con aplicaciones objetivo de monitoreo ambiental cooperativo, [24] localización y mapeo simultáneos , [25] protección de convoyes, [26] y localización y seguimiento de objetivos en movimiento. [27]

Además, se ha avanzado en la aplicación de enjambres autónomos en el campo de la fabricación, conocido como impresión 3D de enjambre . Esto es particularmente útil para la producción de grandes estructuras y componentes, donde la impresión 3D tradicional no se puede utilizar debido a las limitaciones de tamaño del hardware. La miniaturización y la movilización masiva permiten que el sistema de fabricación logre invariancia de escala , sin limitaciones en el volumen de construcción efectivo. Si bien se encuentra en su etapa inicial de desarrollo, la impresión 3D de enjambre actualmente está siendo comercializada por empresas emergentes. Utilizando el proceso de fabricación aditiva de metal de impresión por inducción rápida, Rosotics [28] fue la primera empresa en demostrar la impresión 3D de enjambre utilizando una carga útil metálica, y la única en lograr la impresión 3D metálica desde una plataforma aérea. [29]

Enjambre de drones

Los enjambres de drones se utilizan en la búsqueda de objetivos, exhibiciones de drones y entregas. Una exhibición de drones generalmente utiliza múltiples drones iluminados por la noche para una exhibición artística o publicitaria. Un enjambre de drones en la entrega puede llevar múltiples paquetes a un solo destino a la vez y superar las limitaciones de carga útil y batería de un solo dron. [30] Un enjambre de drones puede realizar diferentes formaciones de vuelo para reducir el consumo general de energía debido a las fuerzas de arrastre. [31]

El enjambre de drones también puede traer consigo problemas de control adicionales relacionados con factores humanos y el operador del enjambre. Algunos ejemplos de esto incluyen una alta demanda cognitiva y complejidad al interactuar con múltiples drones debido al cambio de atención entre diferentes drones individuales. [32] [33] La comunicación entre el operador y el enjambre también es un aspecto central. [34]

Enjambres acústicos

En 2023, investigadores de la Universidad de Washington y Microsoft demostraron enjambres acústicos de pequeños robots que crean altavoces inteligentes que cambian de forma. [35] Estos se pueden utilizar para manipular escenas acústicas para enfocar o silenciar los sonidos de una región específica de una habitación. [36] Aquí, los robots diminutos cooperan entre sí utilizando señales de sonido, sin ninguna cámara, para navegar de forma cooperativa con una precisión de un centímetro. Estos dispositivos de enjambre se extienden por una superficie para crear una matriz de micrófonos inalámbricos distribuidos y reconfigurables. También navegan de regreso a la estación de carga donde pueden recargarse automáticamente. [37]

Véase también

Referencias

  1. ^ Dorigo, Marco; Birattari, Mauro; Brambill, Manuele (2014). "Robótica de enjambre". Scholarpedia . 9 (1): 1463. Código bibliográfico : 2014SchpJ...9.1463D. doi : 10.4249/scholarpedia.1463 .
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  3. ^ Hunt, Edmund R. (27 de marzo de 2019). "Los animales sociales que inspiran nuevos comportamientos para los enjambres de robots". The Conversation . Consultado el 28 de marzo de 2019 .
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