Schwarmrobotik

Schwarmrobotik ist ein Ansatz zur Koordination mehrerer Roboter als System, das aus einer großen Anzahl von meist einfachen physischen Robotern besteht. Es wird angenommen, dass ein gewünschtes kollektives Verhalten aus den Interaktionen zwischen Robotern und Interaktionen von Robotern mit der Umgebung entsteht. Dieser Ansatz zeigte sich auf dem Gebiet der künstlichen Schwarmintelligenz sowie auf biologischen Untersuchungen von Insekten, Ameisen und anderen Naturgebieten, in denen Schwarmverhalten auftritt.

Definition
Die Forschung der Schwarmrobotik untersucht das Design von Robotern, ihren physischen Körper und ihr Steuerungsverhalten. Es ist inspiriert, aber nicht begrenzt durch das aufkommende Verhalten bei sozialen Insekten, das als Schwarmintelligenz bezeichnet wird. Relativ einfache individuelle Regeln können eine große Menge komplexer Schwarmverhalten erzeugen. Eine Schlüsselkomponente ist die Kommunikation zwischen den Mitgliedern der Gruppe, die ein System von ständigem Feedback aufbauen. Das Schwarmverhalten beinhaltet den ständigen Wandel von Individuen in Zusammenarbeit mit anderen sowie das Verhalten der gesamten Gruppe.

Im Gegensatz zu verteilten Robotersystemen im Allgemeinen betont die Schwarmrobotik eine große Anzahl von Robotern und fördert die Skalierbarkeit, beispielsweise indem nur lokale Kommunikation verwendet wird. Diese lokale Kommunikation kann zum Beispiel durch drahtlose Übertragungssysteme wie Funk oder Infrarot erreicht werden.

Ziele und Anwendungen
Miniaturisierung und Kosten sind Schlüsselfaktoren in der Schwarmrobotik. Dies sind die Einschränkungen beim Bau großer Robotergruppen. Daher sollte die Einfachheit des einzelnen Teammitglieds betont werden. Dies sollte einen intelligenten Schwarmansatz motivieren, um sinnvolleres Verhalten auf Schwarmebene anstatt auf individueller Ebene zu erreichen.
Dieses Ziel der Einfachheit wurde auf der Ebene der einzelnen Roboter intensiv erforscht. Die Möglichkeit, Hardware anstelle von Simulationen in der Forschung von Swarm Robotics einsetzen zu können, ermöglicht es Forschern, auf viele weitere Probleme zu stoßen, diese zu lösen und den Anwendungsbereich von Swarm Research zu erweitern. Daher ist die Entwicklung einfacher Roboter für die Swarm-Intelligenzforschung ein sehr wichtiger Aspekt des Feldes. Zu den Zielen gehört es, die Kosten für einzelne Roboter niedrig zu halten, um Skalierbarkeit zu ermöglichen, wodurch jedes Mitglied des Schwarms weniger Ressourcen beansprucht und mehr Energie und Energie verbraucht.

Ein solches Schwarmsystem ist das LIBOT Robotic System, bei dem es sich um einen kostengünstigen Roboter für Schwarmrobotik im Freien handelt. Die Roboter sind auch mit Vorkehrungen für die Verwendung in Innenräumen über WLAN ausgestattet, da die GPS-Sensoren eine schlechte Kommunikation in Gebäuden ermöglichen. Ein weiterer solcher Versuch ist der Mikroroboter (Colias), der im Computer Intelligence Lab der University of Lincoln, Großbritannien, gebaut wurde. Dieser Mikroroboter ist auf einem 4-cm-Rundchassis aufgebaut und bietet eine kostengünstige und offene Plattform für den Einsatz in einer Vielzahl von Swarm Robotics-Anwendungen.

Vorteile und Nachteile
Die am häufigsten genannten Vorteile sind:

geringe Kosten für eine umfassendere Abdeckung;
eine Redundanzkapazität (wenn einer der Roboter aufgrund eines Ausfalls, einer Blockierung usw. ausfällt, kann ein anderer Roboter Schritte unternehmen, um ihn zu beheben oder in seiner Aufgabe zu ersetzen).
die Fähigkeit, eine große Fläche abzudecken. Duarte & al. zum Beispiel gezeigt haben (durch eine Simulation, die auf den Fall der Insel Lampedusa angewandt wurde) im Jahr 2014, dass ein Schwarm von 1000 kleinen Wasserdrohnen, die von Basen aus in See gestreut wurden, innerhalb von 24 Stunden einen Überwachungsbericht über eine 20 km lange Seegruppe erstellen könnte;

Bislang können Roboter-Schwärme nur relativ einfache Aufgaben erfüllen, da sie häufig durch ihren Energiebedarf begrenzt sind. Im Allgemeinen sind die Schwierigkeiten der Interoperabilität, wenn Roboter unterschiedlicher Natur und Herkunft miteinander verbunden werden sollen, auch sehr einschränkend.

Eigenschaften
Im Gegensatz zu den meisten verteilten Robotersystemen besteht die Schwarmrobotik auf einer großen Anzahl von Robotern 6 und fördert die Skalierung, beispielsweise die Verwendung lokaler Kommunikation in Form von Infrarot oder drahtlos.

Von diesen Systemen werden mindestens die folgenden drei Eigenschaften erwartet:

Robustheit, die die Fähigkeit des Schwarms impliziert, trotz der Ausfälle bestimmter Personen und / oder Veränderungen, die in der Umgebung auftreten können, weiterhin zu funktionieren;
Flexibilität, die die Fähigkeit beinhaltet, Lösungen vorzuschlagen, die an die durchzuführenden Aufgaben angepasst sind;
die “Skalierung”, die impliziert, dass der Schwarm unabhängig von seiner Größe (ab einer bestimmten Mindestgröße) funktionieren muss.

Laut Sahin (2005) und Dorigo (2013) in einem Schwarmrobotersystem im Schwarm:

Jeder Roboter ist autonom.
Roboter sind in der Regel in der Lage, sich relativ zu ihren nächsten Nachbarn (relative Positionierung) und manchmal in der globalen Umgebung zu lokalisieren, auch wenn einige Systeme versuchen, auf diese Daten zu verzichten.
die Roboter können handeln (z. B. um die Umgebung zu verändern, mit einem anderen Roboter zusammenzuarbeiten);
Die Erkennungs- und Kommunikationsfähigkeiten von Robotern zwischen ihnen sind lokal (seitlich) und begrenzt.
Die Roboter sind nicht an eine zentrale Steuerung angeschlossen. Sie haben nicht das globale Wissen über das System, mit dem sie zusammenarbeiten.
Die Roboter arbeiten zusammen, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen.
auftauchende Phänomene globales Verhalten können daher auftreten.

Anwendungen
Mögliche Anwendungen für die Schwarmrobotik sind vielfältig. Dazu gehören Aufgaben, die eine Miniaturisierung erfordern (Nanorobotik, Mikrobotik), wie verteilte Erfassungsaufgaben in der Mikromaschine oder im menschlichen Körper. Eine der vielversprechendsten Anwendungen der Schwarmrobotik ist der Einsatz bei Katastrophenschutzmissionen. Schwärme von Robotern unterschiedlicher Größe könnten an Orte geschickt werden, an denen Rettungskräfte nicht sicher erreichen können, um über Infrarot-Sensoren die Präsenz von Leben zu erkennen. Andererseits kann die Schwarmrobotik für Aufgaben geeignet sein, die nach billigen Konstruktionen verlangen, z. B. Bergbau- oder landwirtschaftliche Futteraufgaben.

Umstrittener ist, dass Schwärme von Militärrobotern eine autonome Armee bilden können. US-Seestreitkräfte haben einen Schwarm autonomer Boote getestet, die selbst steuern und offensiv handeln können. Die Boote sind unbemannt und können mit allen Arten von Ausrüstung ausgerüstet werden, um gegnerische Schiffe abzuhalten und zu zerstören.

Die meisten Bemühungen konzentrierten sich auf relativ kleine Gruppen von Maschinen. Ein Schwarm, bestehend aus 1.024 einzelnen Robotern, wurde von Harvard im Jahr 2014 vorgeführt, der bisher größte.

Ein anderer großer Satz von Anwendungen kann mit Schwärmen von Mikroluftfahrzeugen gelöst werden, die heutzutage ebenfalls umfassend untersucht werden. Im Vergleich zu den bahnbrechenden Studien über Schwärme fliegender Roboter, die präzise Bewegungserfassungssysteme unter Laborbedingungen verwenden, können derzeitige Systeme wie Shooting Star Teams von Hunderten von Mikro-Luftfahrzeugen im Außenbereich mithilfe von GNSS-Systemen (z. B. GPS) steuern oder sogar stabilisieren Verwendung von Lokalisierungssystemen an Bord, bei denen kein GPS verfügbar ist. Schwärme von Mikro-Luftfahrzeugen wurden bereits bei der autonomen Überwachung, der Fahnenverfolgung und der Aufklärung in einer kompakten Phalanx getestet. Zahlreiche Arbeiten an kooperativen Schwärmen unbemannter Boden- und Luftfahrzeuge wurden mit Zielanwendungen zur Überwachung der kooperativen Umgebung, zum Schutz von Konvois und zur Lokalisierung und Verfolgung von Zielzielen durchgeführt.

Drohne zeigt an
Eine Drohnenanzeige verwendet üblicherweise mehrere beleuchtete Drohnen nachts für eine künstlerische Anzeige.

In der populären Kultur
Ein wichtiger Teilbereich von Disneys Big Hero umfasste die Verwendung von Schwärmen von Mikrobotern zur Bildung von Strukturen.

Forschung
Sie decken viele Themen ab, darunter:

Software und Softwareerweiterung;
die Roboter selbst verbessern. 2010 haben zwei Schweizer Forscher aus Lausanne (Floreano & Keller) vorgeschlagen, sich von der darwinistischen (adaptiven) Auswahl zur Entwicklung von Robotern inspirieren zu lassen.
die Fähigkeit, sich in drei Dimensionen zu entwickeln (in der Luft für eine Flotte von Luftdrohnen oder unter Wasser für einen Schwarm von Unterwasser-Robotern), beispielsweise zur Untersuchung der Dynamik von Wasserkörpern und Meeresströmungen;
Verbesserung ihrer Fähigkeit, miteinander oder mit anderen Robotertypen zusammenzuarbeiten;
zur Bewertung des Schwarmverhaltens (Video-Tracking ist unerlässlich, um das Schwarmverhalten systematisch zu untersuchen, auch wenn andere Methoden vorhanden sind, z. B. die jüngste Entwicklung des Ultraschall-Trackings.) Weitere Forschungen sind erforderlich, um eine geeignete Methodik für das Design und die verlässliche Vorhersage von Schwingungen zu entwickeln Schwärme, wenn nur die Merkmale eines Individuums bekannt sind);
Vergleich der jeweiligen Vor- und Nachteile von Top-Down- und Bottom-Up-Ansätzen.