Robotique en essaim

La robotique Swarm est une approche de la coordination de plusieurs robots en tant que système composé d’un grand nombre de robots physiques pour la plupart simples. On suppose qu’un comportement collectif souhaité émerge des interactions entre les robots et des interactions des robots avec l’environnement. Cette approche a émergé dans le domaine de l’intelligence artificielle des essaims, ainsi que dans les études biologiques sur les insectes, les fourmis et d’autres domaines de la nature, où se produit le comportement des essaims.

Définition
La recherche en robotique en essaim consiste à étudier la conception de robots, leur corps physique et leurs comportements de contrôle. Il est inspiré mais non limité par le comportement émergent observé chez les insectes sociaux, appelé intelligence en essaim. Des règles individuelles relativement simples peuvent produire un grand ensemble de comportements complexes d’essaims. Un élément clé est la communication entre les membres du groupe qui construisent un système de rétroaction constante. Le comportement de l’essaim implique un changement constant d’individus en coopération avec d’autres, ainsi que le comportement de l’ensemble du groupe.

Contrairement aux systèmes robotiques distribués en général, la robotique en essaim met l’accent sur un grand nombre de robots et favorise l’évolutivité, par exemple en utilisant uniquement la communication locale. Cette communication locale, par exemple, peut être réalisée par des systèmes de transmission sans fil, tels que les radiofréquences ou les infrarouges.

Objectifs et applications
La miniaturisation et le coût sont des facteurs clés de la robotique en essaim. Ce sont les contraintes pour la construction de grands groupes de robots; par conséquent, la simplicité de chaque membre de l’équipe doit être soulignée. Cela devrait motiver une approche intelligente des essaims pour obtenir un comportement significatif au niveau des essaims, au lieu du niveau individuel.
De nombreuses recherches ont été consacrées à cet objectif de simplicité au niveau de chaque robot. Pouvoir utiliser du matériel réel dans la recherche sur Swarm Robotics plutôt que sur des simulations permet aux chercheurs de rencontrer et de résoudre beaucoup plus de problèmes et d’élargir la portée de la recherche Swarm. Ainsi, le développement de robots simples pour la recherche en intelligence Swarm est un aspect très important du domaine. Les objectifs consistent notamment à maintenir le coût des robots individuels à un faible niveau pour permettre l’évolutivité, rendant chaque membre de l’essaim moins exigeant en ressources et plus économe en énergie / énergie.

Un de ces systèmes est le système robotique LIBOT, qui implique un robot à faible coût conçu pour la robotique en plein essaim. Les robots sont également conçus pour une utilisation en intérieur via Wi-Fi, car les capteurs GPS fournissent une mauvaise communication à l’intérieur des bâtiments. Une autre tentative de ce type est le micro-robot (Colias), construit dans le laboratoire d’intelligence informatique de l’Université de Lincoln, au Royaume-Uni. Ce micro robot est construit sur un châssis circulaire de 4 cm et constitue une plate-forme ouverte et économique pour une utilisation dans diverses applications Swarm Robotics.

Avantages et inconvénients
Les avantages les plus fréquemment cités sont:

faible coût pour une couverture plus étendue;
une capacité de redondance (si l’un des robots tombe en panne suite à une panne, un blocage, etc., un autre robot peut prendre des mesures pour résoudre le problème ou le remplacer dans sa tâche).
la capacité de couvrir une grande surface. Duarte et al. ont par exemple montré (via une simulation appliquée au cas de l’île de Lampedusa) en 2014 qu’un essaim de 1 000 petits drones aquatiques dispersés en mer à partir de bases pourraient établir en 24 heures un rapport de surveillance sur une bande maritime de 20 km;

À ce jour, des essaims de robots ne peuvent effectuer que des tâches relativement simples, ils sont souvent limités par leurs besoins en énergie. Plus généralement, les difficultés d’interopérabilité lorsque l’on veut associer des robots de nature et d’origines différentes sont également très contraignantes.

Propriétés
Contrairement à la plupart des systèmes robotiques distribués, la robotique en essaim fait appel à un grand nombre de robots 6 et favorise la mise à l’échelle, par exemple l’utilisation de communications locales sous forme d’infrarouge ou sans fil.

Ces systèmes devraient avoir au moins les trois propriétés suivantes:

la robustesse, qui implique la capacité de l’essaim de continuer à fonctionner malgré les défaillances de certains individus et / ou les changements susceptibles de se produire dans l’environnement;
la flexibilité, ce qui implique une capacité à proposer des solutions adaptées aux tâches à accomplir;
la “mise à l’échelle”, qui implique que l’essaim doit fonctionner quelle que soit sa taille (à partir d’une certaine taille minimale).

Selon Sahin (2005) et Dorigo (2013) dans un système robotique d’essaims, dans l’essaim:

Chaque robot est autonome.
Les robots sont généralement capables de se situer par rapport à leurs voisins les plus proches (positionnement relatif) et parfois dans l’environnement global, même si certains systèmes essaient de se passer de ces données.
les robots peuvent agir (par exemple modifier l’environnement, coopérer avec un autre robot);
Les capacités de détection et de communication des robots entre eux sont locales (latérales) et limitées;
les robots ne sont pas connectés à une commande centralisée; ils n’ont pas la connaissance globale du système dans lequel ils coopèrent;
les robots coopèrent pour effectuer une tâche donnée;
des phénomènes émergents peuvent ainsi apparaître des comportements globaux.

Applications
Les applications potentielles de la robotique en essaim sont nombreuses. Ils incluent des tâches qui exigent une miniaturisation (nanorobotique, microbotique), comme des tâches de détection distribuées dans des micro-machines ou dans le corps humain. L’une des utilisations les plus prometteuses de la robotique en essaim réside dans les missions de secours en cas de catastrophe. Des essaims de robots de différentes tailles pourraient être envoyés dans des endroits où les sauveteurs ne peuvent pas se rendre en toute sécurité, afin de détecter la présence de vie via des capteurs infrarouges. D’autre part, la robotique en essaim peut être adaptée à des tâches qui nécessitent des conceptions bon marché, par exemple des tâches d’extraction minière ou d’alimentation agricole.

Plus controversé, des essaims de robots militaires peuvent former une armée autonome. Les forces navales américaines ont testé un essaim de bateaux autonomes capables de diriger et de prendre des mesures offensives par eux-mêmes. Les bateaux sont sans équipage et peuvent être équipés de tout type de kit pour dissuader et détruire les navires ennemis.

La plupart des efforts ont été concentrés sur des groupes de machines relativement petits. Cependant, un essaim composé de 1 024 robots individuels a été démontré par Harvard en 2014, le plus important à ce jour.

Un autre ensemble important d’applications peut être résolu en utilisant des essaims de micro-véhicules aériens, qui sont également largement étudiés de nos jours. Comparés aux études pionnières sur des essaims de robots volants utilisant des systèmes de capture de mouvement précis dans des conditions de laboratoire, les systèmes actuels tels que Shooting Star peuvent contrôler des équipes de centaines de micro-véhicules aériens en environnement extérieur à l’aide de systèmes GNSS (tels que le GPS) ou même les stabiliser. en utilisant des systèmes de localisation embarqués où le GPS est indisponible. Des essaims de micro-véhicules aériens ont déjà été testés dans des tâches de surveillance autonome, de suivi de panache et de reconnaissance dans une phalange compacte. De nombreux travaux sur des essaims coopératifs de véhicules terrestres et aériens non habités ont été menés avec des applications ciblées de surveillance de l’environnement coopératif, de protection des convois, ainsi que de localisation et de suivi de cibles mobiles.

Drone affiche
Un affichage de drone utilise généralement plusieurs drones lumineux la nuit pour un affichage artistique.

Dans la culture populaire
Une sous-parcelle majeure du Big Hero de Disney a impliqué l’utilisation d’essaims de microbots pour former des structures.

Recherche
Ils couvrent de nombreux sujets, notamment:

logiciel et amélioration du logiciel;
améliorer les robots eux-mêmes. En 2010, deux chercheurs suisses de Lausanne (Floreano & Keller) ont proposé de s’inspirer de la sélection darwinienne (adaptative) pour développer des robots;
la possibilité d’évoluer en 3 dimensions (dans les airs pour une flotte de drones aériens ou sous l’eau pour un essaim de robots sous-marins), par exemple pour l’étude de la dynamique des masses d’eau et des courants marins;
améliorer leur capacité à coopérer les uns avec les autres ou avec d’autres types de robots;
sur l’évaluation du comportement des essaims (le suivi vidéo est essentiel pour étudier le comportement des essaims de manière systématique, même s’il existe d’autres méthodes, comme le développement récent du suivi par ultrasons.) essaims lorsque seuls les traits des individus sont connus);
en comparant les avantages et les inconvénients respectifs des approches descendante et ascendante.