La robotica degli sciami è un approccio al coordinamento di più robot come un sistema costituito da un gran numero di robot fisici per lo più semplici. Si suppone che un comportamento collettivo desiderato emerga dalle interazioni tra i robot e le interazioni dei robot con l’ambiente. Questo approccio è emerso nel campo dell’intelligenza artificiale degli sciami, così come gli studi biologici di insetti, formiche e altri campi in natura, dove si verifica il comportamento dello sciame.

Definizione
La ricerca della robotica degli sciami consiste nello studio del design dei robot, del loro corpo fisico e dei loro comportamenti di controllo. È ispirato ma non limitato dal comportamento emergente osservato negli insetti sociali, chiamato intelligenza dello sciame. Regole individuali relativamente semplici possono produrre un ampio insieme di comportamenti complessi di sciami. Una componente chiave è la comunicazione tra i membri del gruppo che costruiscono un sistema di feedback costante. Il comportamento degli sciami comporta un costante cambiamento di individui in cooperazione con gli altri, nonché il comportamento dell’intero gruppo.

A differenza dei sistemi robotici distribuiti in generale, la robotica degli sciami enfatizza un numero elevato di robot e promuove la scalabilità, ad esempio utilizzando solo le comunicazioni locali. Ad esempio, la comunicazione locale può essere raggiunta dai sistemi di trasmissione wireless, come la radiofrequenza o l’infrarosso.

Obiettivi e applicazioni
La miniaturizzazione e il costo sono fattori chiave nella robotica degli sciami. Questi sono i limiti nella costruzione di grandi gruppi di robot; quindi la semplicità del singolo membro del team dovrebbe essere enfatizzata. Ciò dovrebbe motivare un approccio sciame-intelligente per ottenere un comportamento significativo a livello di sciazzo, invece che a livello individuale.
Molte ricerche sono state rivolte a questo obiettivo di semplicità a livello di singolo robot. Essere in grado di utilizzare l’hardware reale nella ricerca di Swarm Robotics piuttosto che le simulazioni consente ai ricercatori di affrontare e risolvere molti altri problemi e ampliare la portata di Swarm Research. Pertanto, lo sviluppo di robot semplici per la ricerca di intelligence Swarm è un aspetto molto importante del settore. Gli obiettivi includono mantenere basso il costo dei singoli robot per consentire la scalabilità, rendendo ogni membro dello sciame meno esigente di risorse e più efficiente potere / energia.

Uno di questi sistemi di sciami è il sistema robotico LIBOT che comprende un robot a basso costo costruito per la robotica degli sciami all’aperto. I robot sono anche realizzati con le disposizioni per l’uso interno tramite Wi-Fi, dal momento che i sensori GPS forniscono cattive comunicazioni all’interno degli edifici. Un altro di questi tentativi è il micro-robot (Colias), costruito nel Computer Intelligence Lab dell’Università di Lincoln, nel Regno Unito. Questo micro robot è costruito su un telaio circolare di 4 cm ed è una piattaforma economica e aperta da utilizzare in una varietà di applicazioni Swarm Robotics.

Vantaggi e svantaggi
I benefici più frequentemente citati sono:

basso costo per una copertura più ampia;
una capacità di ridondanza (se uno dei robot si guasta a causa di un guasto, blocco, ecc., un altro robot può adottare misure per risolverlo o sostituirlo nel suo compito).
la capacità di coprire una vasta area. Duarte & al. hanno per esempio mostrato (tramite una simulazione applicata al caso dell’isola di Lampedusa) nel 2014 che uno sciame di 1000 piccoli droni acquatici dispersi in mare dalle basi potrebbe in 24 ore fare un rapporto di sorveglianza su una banda marittima lunga 20 km;

Fino ad oggi, sciami di robot possono eseguire solo compiti relativamente semplici, sono spesso limitati dal loro bisogno di energia. Più in generale, le difficoltà di interoperabilità quando si vogliono associare robot di natura e origini diverse sono anche molto limitanti.

Proprietà
A differenza della maggior parte dei sistemi robotici distribuiti, la robotica degli sciami insiste su un numero elevato di robot 6 e promuove il ridimensionamento, ad esempio l’uso di comunicazioni locali sotto forma di infrarossi o wireless.

Ci si aspetta che questi sistemi abbiano almeno le seguenti tre proprietà:

robustezza, che implica la capacità dello sciame di continuare a funzionare nonostante i fallimenti di alcuni individui e / o cambiamenti che possono verificarsi nell’ambiente;
flessibilità, che implica la capacità di proporre soluzioni adeguate ai compiti da svolgere;
il “ridimensionamento”, che implica che lo sciame debba funzionare indipendentemente dalle sue dimensioni (da una certa dimensione minima).

Secondo Sahin (2005) e Dorigo (2013) in un sistema robotico sciame, nello sciame:

Ogni robot è autonomo;
i robot sono in genere in grado di localizzarsi rispetto ai loro vicini più prossimi (posizionamento relativo) e talvolta nell’ambiente globale, anche se alcuni sistemi cercano di fare a meno di questi dati;
i robot possono agire (ad esempio modificare l’ambiente, cooperare con un altro robot);
Le capacità di rilevamento e comunicazione dei robot tra di loro sono locali (laterali) e limitate;
i robot non sono collegati a un controllo centralizzato; non hanno la conoscenza globale del sistema in cui cooperano;
i robot cooperano per eseguire un determinato compito;
fenomeni emergenti possono quindi apparire comportamenti globali.

applicazioni
Le potenziali applicazioni per la robotica degli sciami sono molte. Includono compiti che richiedono la miniaturizzazione (nanorobotica, microbiotica), come attività di rilevamento distribuito in micromacchine o nel corpo umano. Uno degli usi più promettenti della robotica degli sciami è nelle missioni di soccorso in caso di calamità. Sciami di robot di diverse dimensioni potrebbero essere inviati in luoghi in cui i soccorritori non possono raggiungere in sicurezza, per rilevare la presenza di vita tramite sensori a infrarossi. D’altra parte, la robotica degli sciami può essere adatta a compiti che richiedono disegni economici, ad esempio attività minerarie o di raccolta di risorse agricole.

Più controverso, sciami di robot militari possono formare un esercito autonomo. Le forze navali statunitensi hanno testato uno sciame di imbarcazioni autonome che possono guidare e intraprendere azioni offensive da sole. Le barche sono senza equipaggio e possono essere equipaggiate con qualsiasi tipo di kit per dissuadere e distruggere le navi nemiche.

La maggior parte degli sforzi si è concentrata su gruppi di macchine relativamente piccoli. Tuttavia, uno sciame costituito da 1.024 singoli robot è stato dimostrato da Harvard nel 2014, il più grande finora.

Un altro grande insieme di applicazioni può essere risolto utilizzando sciami di veicoli micro-aerei, che sono anche ampiamente studiati al giorno d’oggi. Rispetto agli studi pioneristici di sciami di robot volanti che utilizzano sistemi di motion capture precisi in condizioni di laboratorio, sistemi attuali come Shooting Star possono controllare squadre di centinaia di micro veicoli aerei in ambienti esterni utilizzando sistemi GNSS (come il GPS) o persino stabilizzarli utilizzando i sistemi di localizzazione integrati in cui il GPS non è disponibile. Sciami di micro veicoli aerei sono già stati testati in compiti di sorveglianza autonoma, monitoraggio dei pennacchi e ricognizione in una falange compatta. Numerosi lavori su sciami cooperativi di veicoli terrestri e aerei senza equipaggio sono stati condotti con applicazioni mirate al monitoraggio dell’ambiente cooperativo, alla protezione di convogli e alla localizzazione e localizzazione di bersagli mobili.

Display Drone
Un display di droni utilizza di solito droni multipli illuminati di notte per un’esibizione artistica.

Nella cultura popolare
Una grande sottotrama di Disney’s Big Hero prevedeva l’uso di sciami di microbot per formare strutture.

Ricerca
Coprono molti argomenti tra cui:

miglioramento del software e del software;
migliorare i robot stessi. Nel 2010 due ricercatori svizzeri di Losanna (Floreano e Keller) hanno proposto di trarre ispirazione dalla selezione darwiniana (adattativa) per sviluppare robot;
la capacità di evolvere in 3 dimensioni (nell’aria per una flotta di droni aerei, o sott’acqua per uno sciame di robot sott’acqua), ad esempio per lo studio della dinamica dei corpi idrici e delle correnti marine;
migliorare la loro capacità di cooperare tra loro o con altri tipi di robot;
sulla valutazione del comportamento degli sciami (il monitoraggio dei video è essenziale per studiare il comportamento degli sciami in modo sistematico, anche se esistono altri metodi, come il recente sviluppo del tracciamento ultrasonico.) Sono necessarie ulteriori ricerche per stabilire una metodologia adatta per la progettazione e la previsione affidabile di sciami quando sono noti solo i tratti degli individui);
confrontando i rispettivi vantaggi e svantaggi degli approcci top-down e bottom-up.