Robótica de enjambre

La robótica de enjambre es una aproximación a la coordinación de múltiples robots como un sistema que consiste en un gran número de robots físicos en su mayoría simples. Se supone que un comportamiento colectivo deseado surge de las interacciones entre los robots y las interacciones de los robots con el entorno. Este enfoque surgió en el campo de la inteligencia artificial de enjambres, así como en los estudios biológicos de insectos, hormigas y otros campos en la naturaleza, donde ocurre el comportamiento de los enjambres.

Definición
La investigación de la robótica de enjambres es estudiar el diseño de los robots, su cuerpo físico y sus comportamientos de control. Está inspirado pero no limitado por el comportamiento emergente observado en insectos sociales, llamado inteligencia de enjambre. Reglas individuales relativamente simples pueden producir un gran conjunto de comportamientos complejos de enjambre. Un componente clave es la comunicación entre los miembros del grupo que crean un sistema de retroalimentación constante. El comportamiento de enjambre implica un cambio constante de 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 enjambres enfatiza una gran cantidad de robots y promueve la escalabilidad, por ejemplo, utilizando solo la comunicación local. Esa comunicación local, por ejemplo, puede lograrse mediante sistemas de transmisión inalámbrica, como radiofrecuencia o infrarrojos.

Objetivos y aplicaciones
La miniaturización y el costo son factores clave en la robótica de enjambres. Estas son las limitaciones en la construcción de grandes grupos de robots; por lo tanto, la simplicidad del miembro del equipo individual debe ser enfatizada. Esto debería motivar un enfoque inteligente de enjambre para lograr un comportamiento significativo a nivel de enjambre, en lugar del nivel individual.
Se ha dirigido mucha investigación a este objetivo de simplicidad a nivel de robot individual. El hecho de poder utilizar el hardware real en la investigación de Swarm Robotics en lugar de simulaciones permite a los investigadores encontrar y resolver muchos más problemas y ampliar el alcance de Swarm Research. Por lo tanto, el desarrollo de robots simples para la investigación de inteligencia de Swarm es un aspecto muy importante del campo. Los objetivos incluyen mantener bajo el costo de los robots individuales para permitir la escalabilidad, lo que hace que cada miembro del enjambre requiera menos recursos y más potencia / eficiencia energética.

Uno de estos sistemas de enjambre es el sistema robótico LIBOT que involucra un robot de bajo costo construido para robótica de enjambres al aire libre. Los robots también están hechos con disposiciones para 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), construido en el Laboratorio de Inteligencia Informática en 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 costo para su uso en una variedad de aplicaciones de Swarm Robotics.

Ventajas y desventajas
Los beneficios más frecuentemente citados son:

bajo costo para una cobertura más extensa;
una capacidad de redundancia (si uno de los robots falla debido a una falla, bloqueo, etc., otro robot puede tomar medidas para solucionarlo o reemplazarlo en su tarea).
La capacidad de cubrir un área grande. Duarte & al. Por ejemplo, en 2014 (a través de una simulación aplicada al caso de la isla de Lampedusa), un enjambre de 1000 pequeños drones acuáticos dispersos en el mar desde las bases podría hacer un informe de vigilancia en 24 horas en una banda marítima de 20 km de longitud;

Hasta la fecha, los enjambres de robots solo pueden realizar tareas relativamente simples, a menudo están limitados por su necesidad de energía. De manera más general, las dificultades de interoperabilidad cuando se quiere asociar robots de la naturaleza y de diferentes orígenes también son muy limitantes.

Propiedades
A diferencia de la mayoría de los sistemas robóticos distribuidos, la robótica enjambre insiste en una gran cantidad de robots 6 y promueve el escalado, por ejemplo, el uso de comunicaciones locales en forma de infrarrojos o inalámbricos.

Se espera que estos sistemas tengan al menos las siguientes tres propiedades:

robustez, lo que implica la capacidad del enjambre para continuar funcionando a pesar de las fallas de ciertos individuos y / o cambios que pueden ocurrir en el medio ambiente;
flexibilidad, lo que implica una capacidad para proponer soluciones adaptadas a las tareas a realizar;
el “escalamiento”, que implica que el enjambre debe funcionar independientemente de su tamaño (a partir de un cierto tamaño mínimo).

Según Sahin (2005) y Dorigo (2013) en un sistema robótico de enjambre, en el enjambre:

Cada robot es autónomo;
Los robots generalmente pueden ubicarse en relación con sus vecinos más cercanos (posicionamiento relativo) y, a veces, en el entorno global, incluso si algunos sistemas intentan prescindir de estos datos;
los robots pueden actuar (por ejemplo, para modificar el entorno, para cooperar con otro robot);
Las capacidades de detección y comunicación de los robots entre ellos son locales (laterales) y limitadas;
los robots no están conectados a un control centralizado; no tienen el conocimiento global del sistema en el que cooperan;
los robots cooperan para realizar una tarea determinada;
De este modo pueden aparecer comportamientos globales de fenómenos emergentes.

Aplicaciones
Las aplicaciones potenciales para la robótica de enjambres son muchas. Incluyen tareas que exigen miniaturización (nanorobóticos, microbóticos), como tareas de detección distribuida en micromáquinas o en el cuerpo humano. Uno de los usos más prometedores de la robótica de enjambres es en misiones de rescate de desastres. Se pueden enviar enjambres de robots de diferentes tamaños a lugares donde los trabajadores de rescate no pueden llegar de manera segura, para detectar la presencia de vida a través de sensores infrarrojos. Por otro lado, la robótica de enjambres puede ser adecuada para tareas que demandan diseños baratos, por ejemplo, tareas de forrajeo minero o agrícola.

Más polémicamente, enjambres de robots militares pueden formar un ejército autónomo. Las fuerzas navales de EE. UU. Han probado un enjambre de barcos autónomos que pueden conducir y tomar acciones ofensivas por sí mismos. Los barcos no están tripulados y pueden equiparse con cualquier tipo de kit para disuadir y destruir las naves enemigas.

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

Otro gran conjunto de aplicaciones puede resolverse utilizando enjambres de micro vehículos aéreos, que también son ampliamente investigados 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, los sistemas actuales como Shooting Star pueden controlar equipos de cientos de vehículos micro aeronáuticos en entornos exteriores utilizando sistemas GNSS (como GPS) o incluso estabilizarlos utilizando sistemas de localización a bordo donde el GPS no está disponible. Los enjambres de vehículos micro aeronáuticos ya se han probado en tareas de vigilancia autónoma, seguimiento de la pluma y reconocimiento en una falange compacta. Se han llevado a cabo numerosos trabajos sobre enjambres cooperativos de vehículos terrestres y aéreos no tripulados con aplicaciones específicas de monitoreo del ambiente cooperativo, protección de convoyes y localización y seguimiento de blancos móviles.

Pantallas de drones
Una pantalla de drones comúnmente usa varios drones iluminados en la noche para una exhibición artística.

En la cultura popular
Una importante trama secundaria del Gran Héroe de Disney involucraba el uso de enjambres de microbots para formar estructuras.

Investigación
Cubren muchos temas incluyendo:

software y mejora de software;
Mejorando los propios robots. En 2010, dos investigadores suizos de Lausana (Floreano y Keller) propusieron inspirarse en la selección darwiniana (adaptativa) para desarrollar robots;
la capacidad de evolucionar en 3 dimensiones (en el aire para una flota de drones aéreos, o bajo el agua para un enjambre de robots submarinos), por ejemplo para el estudio de la dinámica de cuerpos de agua y corrientes marinas;
mejorando su capacidad para cooperar entre sí o con otros tipos de robots;
en la evaluación del comportamiento del enjambre (el seguimiento de video es esencial para estudiar el comportamiento del enjambre de manera sistemática, incluso si existen otros métodos, como el reciente desarrollo del seguimiento por ultrasonido). Se necesita más investigación para establecer una metodología adecuada para el diseño y la predicción confiable de enjambres cuando solo se conocen los rasgos de los individuos);
comparando las ventajas y desventajas respectivas de los enfoques de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.