Robótica Swarm

Swarm robotics é uma abordagem para a coordenação de vários robôs como um sistema que consiste em um grande número de robôs físicos na maioria simples. Supõe-se que um comportamento coletivo desejado emerge das interações entre os robôs e as interações dos robôs com o ambiente. Essa abordagem surgiu no campo da inteligência artificial de enxames, bem como nos estudos biológicos de insetos, formigas e outros campos da natureza, onde ocorre o comportamento de enxames.

Definição
A pesquisa da robótica enxame é estudar o design de robôs, seu corpo físico e seus comportamentos de controle. É inspirado, mas não limitado, pelo comportamento emergente observado em insetos sociais, chamado inteligência de enxame. Regras individuais relativamente simples podem produzir um grande conjunto de comportamentos complexos de enxames. Um componente-chave é a comunicação entre os membros do grupo que cria um sistema de feedback constante. O comportamento do enxame envolve a constante mudança de indivíduos em cooperação com os outros, bem como o comportamento de todo o grupo.

Ao contrário dos sistemas robóticos distribuídos em geral, a robótica de enxames enfatiza um grande número de robôs e promove a escalabilidade, por exemplo, usando apenas comunicação local. Essa comunicação local, por exemplo, pode ser alcançada por sistemas de transmissão sem fio, como radiofrequência ou infravermelho.

Objetivos e aplicativos
Miniaturização e custo são fatores-chave na robótica de enxames. Estas são as restrições na construção de grandes grupos de robôs; Portanto, a simplicidade do membro individual da equipe deve ser enfatizada. Isso deve motivar uma abordagem inteligente de enxame a atingir um comportamento significativo no nível de enxame, em vez do nível individual.
Muita pesquisa foi direcionada a esse objetivo de simplicidade no nível do robô individual. Ser capaz de usar o hardware real na pesquisa da Swarm Robotics, em vez de simulações, permite que os pesquisadores encontrem e resolvam muitos outros problemas e ampliem o escopo da Swarm Research. Assim, o desenvolvimento de robôs simples para a pesquisa de inteligência Swarm é um aspecto muito importante do campo. As metas incluem manter baixo o custo de robôs individuais para permitir a escalabilidade, tornando cada membro do enxame menos exigente de recursos e mais energia / eficiência energética.

Um desses sistemas de enxame é o Sistema Robótico LIBOT, que envolve um robô de baixo custo construído para a robótica de enxames ao ar livre. Os robôs também são feitos com provisões para uso interno via Wi-Fi, já que os sensores de GPS fornecem pouca comunicação dentro dos prédios. Outra tentativa desse tipo é o micro robô (Colias), construído no Laboratório de Inteligência de Computadores da Universidade de Lincoln, no Reino Unido. Este micro robô é construído sobre um chassi circular de 4 cm e é de baixo custo e plataforma aberta para uso em uma variedade de aplicações Swarm Robotics.

Vantagens e desvantagens
Os benefícios mais citados são:

baixo custo para cobertura mais extensa;
uma capacidade de redundância (se um dos robôs falhar devido a uma falha, bloqueio, etc., outro robô pode executar etapas para solucionar problemas ou substituí-lo em sua tarefa).
a capacidade de cobrir uma área grande. Duarte & al. demonstraram, por exemplo (através de uma simulação aplicada ao caso da ilha de Lampedusa) em 2014 que um enxame de 1000 pequenos drones aquáticos dispersos no mar a partir de bases poderia, em 24 horas, fazer um relatório de vigilância numa faixa marítima com 20 km de comprimento;

Até hoje, enxames de robôs só podem realizar tarefas relativamente simples, muitas vezes limitados pela necessidade de energia. Mais geralmente, as dificuldades de interoperabilidade quando se quer associar robôs de natureza e de diferentes origens são também muito limitantes.

Propriedades
Ao contrário da maioria dos sistemas robóticos distribuídos, o swarm robotics insiste em um grande número de robôs 6 e promove o escalonamento, por exemplo, o uso de comunicações locais na forma de infravermelho ou sem fio.

Espera-se que esses sistemas tenham pelo menos as três propriedades a seguir:

robustez, o que implica a capacidade do enxame para continuar a funcionar, apesar das falhas de certos indivíduos e / ou mudanças que podem ocorrer no ambiente;
flexibilidade, o que implica capacidade de propor soluções adaptadas às tarefas a serem executadas;
a “escala”, que implica que o enxame deve funcionar independentemente do seu tamanho (a partir de um determinado tamanho mínimo).

Segundo Sahin (2005) e Dorigo (2013) em um sistema robótico de enxames, no enxame:

Cada robô é autônomo;
os robôs geralmente são capazes de se localizar em relação aos seus vizinhos mais próximos (posicionamento relativo) e às vezes no ambiente global, mesmo que alguns sistemas tentem passar sem esses dados;
os robôs podem agir (por exemplo, modificar o ambiente, cooperar com outro robô);
As capacidades de detecção e comunicação dos robôs entre elas são locais (laterais) e limitadas;
os robôs não estão conectados a um controle centralizado; eles não têm o conhecimento global do sistema no qual eles cooperam;
os robôs cooperam para realizar uma determinada tarefa;
fenômenos emergentes comportamentos globais podem, assim, aparecer.

Aplicações
As aplicações potenciais para a robótica de enxames são muitas. Eles incluem tarefas que demandam miniaturização (nanorobótica, microbotics), como tarefas de sensoriamento distribuído em micro-máquinas ou no corpo humano. Um dos usos mais promissores da robótica de enxames está nas missões de resgate de desastres. Enxames de robôs de tamanhos diferentes podem ser enviados para locais onde os resgatadores não podem chegar com segurança, para detectar a presença de vida através de sensores infra-vermelhos. Por outro lado, a robótica de enxames pode ser adequada para tarefas que exigem projetos baratos, por exemplo, tarefas de mineração ou forrageiras agrícolas.

Mais controversamente, enxames de robôs militares podem formar um exército autônomo. Forças navais dos EUA testaram um enxame de barcos autônomos que podem dirigir e tomar ações ofensivas por si mesmos. Os barcos não são tripulados e podem ser equipados com qualquer tipo de kit para deter e destruir embarcações inimigas.

A maioria dos esforços se concentrou em grupos relativamente pequenos de máquinas. No entanto, um enxame composto por 1.024 robôs individuais foi demonstrado por Harvard em 2014, o maior até o momento.

Outro grande conjunto de aplicações pode ser resolvido usando enxames de micro veículos aéreos, que também são amplamente investigados atualmente. Em comparação com estudos pioneiros de enxames de robôs voadores usando sistemas precisos de captura de movimento em condições de laboratório, sistemas atuais como o Shooting Star podem controlar equipes de centenas de veículos aéreos em ambiente externo usando sistemas GNSS (como GPS) ou até mesmo estabilizá-los usando sistemas de localização integrados onde o GPS não está disponível. Enxames de microareamentos aéreos já foram testados em tarefas de vigilância autônoma, rastreamento de plumas e reconhecimento em uma falange compacta. Numerosos trabalhos sobre enxames cooperativos de veículos aéreos e terrestres não tripulados foram conduzidos com aplicações-alvo de monitoramento de ambiente cooperativo, proteção de escolta e localização e rastreamento de alvos em movimento.

Drone exibe
Um monitor de drone geralmente usa vários drones iluminados à noite para uma exibição artística.

Na cultura popular
Um grande subtrama do Grande Herói da Disney envolveu o uso de enxames de microbots para formar estruturas.

Pesquisa
Eles cobrem muitos tópicos, incluindo:

aprimoramento de software e software;
melhorando os próprios robôs. Em 2010, dois pesquisadores suíços de Lausanne (Floreano & Keller) propuseram se inspirar na seleção darwiniana (adaptativa) para desenvolver robôs;
a capacidade de evoluir em 3 dimensões (no ar para uma frota de drones aéreos, ou subaquática para um enxame de robôs submarinos), por exemplo, para o estudo da dinâmica de corpos de água e correntes marinhas;
melhorar sua capacidade de cooperar entre si ou com outros tipos de robôs;
na avaliação do comportamento de enxames (monitoramento de vídeo é essencial para estudar o comportamento de enxames de maneira sistemática, mesmo que existam outros métodos, como o desenvolvimento recente de rastreamento ultrassônico). É necessária mais pesquisa para estabelecer uma metodologia adequada para o planejamento e previsão confiável. enxames quando apenas os traços dos indivíduos são conhecidos);
comparar as respectivas vantagens e desvantagens das abordagens top-down e bottom-up.