Некоторые примеры систем

Примеров систем, реализующих коллективное поведение действительно немало. К сожалению, далеко не всегда ясны механизмы, лежащие в основе демонстрируемых коллективов роботов — об этом чаще всего приходиться лишь догадываться на основе косвенных признаков. Если же речь в найденном материале идет об описании именно механизма (метода, алгоритма, принципа), то в большинстве своем это — напротив, хороший теоретический материал, имеющий слабый экспериментальный базис. (Увы, иногда складывается впечатление, что те, кто могут показать что-то действительно впечатляющее воображение зрителя, избегают рассказать о том, что лежит в основе демонстрируемой системы, а те, кто могут рассказать что-то интересное и действительно важное, показать толком ничего не могут.).

Вернемся, однако, к примерам. Начнем с исследовательских проектов.

Проект I-SWARM. В Германии (Университет Карлсруэ) разрабатываются микророботы с «коллективным мышлением». Разработка финансируется Европейским союзом. Пока роботы умеют только узнавать друг друга и придерживаться своего сообщества. По данным на 2010 г. в рамках проекта I-SWARM создано около 100 механических особей размерами чуть более 1 кв. см, часть из них предназначена для отработки механизмов коммуникации между собой. Это — мультиагентные сообщества роботов.

Multi Robot Systems. Университет Алберты в Эдмонтоне, США. Исследования коллективного поведения роботов. Грант на пять лет в размере $ 39,000 в год. Разработка систем из нескольких роботов (Multi Robot Systems (MRS)). Проект посвящен задачам коллективного принятия решений.

Проект SwarmBot. Американская компания iRobot (производитель, кстати, автоматизированных пылесосов), занята разработкой небольших роботов, способных сообща выполнять определенные действия. Ожидается, что роботы SwarmBot смогут объединяться в группы численностью до десяти тысяч и выполнять такие задачи, как, например, поиск мин, исследование неизвестных территорий (в том числе на других планетах), обнаружение вредных веществ и пр. Робот SwarmBot имеет форму куба с длиной ребра около 12,5 см. и построен на базе 32-разрядного микропроцессора. Для навигации в пространстве и взаимодействия с другими роботами применяются инфракрасные датчики. Коллективная работа всей «стаи» роботов определяется в соответствии с неким набором правил группового поведения.

Если говорить о примерах реальных систем, точнее, об их прототипах, то это прежде всего — системы военного назначения. И это вполне естественно, т.к. финансирование перехода от уровня модели до действующего прототипа осуществляется прежде всего в военной области.

Наиболее интенсивно подобного рода работы проводятся по линии DARPA, причем уже давно. Речь идет о таких программах, как «Распределенные робототехнические системы» (2000 г.), «Программное обеспечение для распределенных робототехнических систем» (Software for Distributed Robotics (SDR)), «Программное обеспечение автономных мобильных роботов» (Mobile Autonomous Robot Software (MARS)) и проч.

Проект DARPA-2003. В рамках проекта был создан отряд из 120 роботов. Основная задача проекта — реализация коллективного (или распределенного) решения тактических и разведывательных задач. Проект осуществлялся американской компанией Icosystems, специализирующейся на разработке программ имитации поведения живых организмов. При этом для координации действий отдельных роботов были использованы относительно простые правила поведения, основанные на локальном взаимодействии роботов. Сами роботы построены компанией I-Robot.

Проект Centibots. Пожалуй, это один из первых реальных проектов, реализующий технологии, которые позволяют организовать взаимодействие и коллективное целенаправленное поведение большого числа автономных роботов. Первая демонстрация произошла еще в 2004 году, в Сиэтле в Центре компьютерных наук и инжиниринга Пола Алена (Университет Вашингтона). Был поставлен опыт коллективной рекогносцировки помещений группой самодвижущихся роботов. Centibots — это небольшие роботы, способные работать и как единый организм, и в одиночку. Их цель — изучить закрытое помещение, составить его план и выполнить какую-нибудь задачу. У роботов нет централизованной системы управления. В алгоритм действий роботов заложены принципы «самостоятельности и инициативности», они периодически взаимодействуют между собой и в зависимости от обстоятельств автоматически перераспределяют роли.

Артиллерийская система NLOS-LS (2010 г). Корпорации Lockheed Martin и Raytheon создают артиллерийскую систему нового поколения NLOS-LS. Заряды смогут объединяться в воздухе в интеллектуальную сеть и с максимальной эффективностью поражать объекты противника, расположенные вне зоны прямой видимости. Для наведения на цель «умные» снаряды будут использовать лазерные радары и бортовое ПО распознавания. Они способны находиться в воздухе 30 минут, преодолевая за это время до 70 км. в поисках целей, и также могут использоваться как разведывательный инструмент для сбора сведений о противнике. На разработку проекта Пентагон выделил $ 1,1 млрд.

Далее рассмотрим прочие, менее серьезные проекты, носящие исследовательский характер, но доведенные до некоторого реального уровня.

Открытый проект SwarmRobot. Проект (его ресурс — swarmrobot.org) посвящен созданию минироботов (с линейным размерами до 3 см), которые могут организовывать масштабируемые коллективы из десятков и сотен роботов (рис. 1, а). Предполагается, что создаваемая элементная база позволит реализовать различного рода эффекты самоорганизации в больших коллективах.

Проект Swarmanoid. Брюссельский свободный университет (Universite Libre de Bruxelles). Основная задача проекта — исследование поведения неоднородных коллективов роботов. Авторы проекта считают, что объединение нескольких различных роботов в группы позволит расширить возможности их использования. В частности, был реализована задача, в которой коллектив из колесных роботов, летающего робота-разведчика и манипуляционного робота (рис. 1, б) совместными усилиями находили объект (книгу) и манипулировали с ним. Видео с демонстрацией возможностей таких роботов получило в 2011 г. приз на конференции Conference on Artificial Intelligence AAAI-11 в Сан-Франциско.

Эволюционирующие роботы. В 2009 г. в швейцарской лаборатории Laboratory of Intelligent Systems (политехническая школа, Лозанна) были проведены исследования в области «эволюции» роботов. Эволюционировал геном робота, определяющий поведение. В экспериментах группа из 10 роботов состязалась за пищу. Роботы — это колесные платформы (т.н. s-боты) диаметром 12 и высотой 15 см. (рис. 1, в).

Задача роботов заключалась в поиске «источника пищи», которым являлось светящееся кольцо на одном из концов арены. На другом конце арены было более темное кольцо, которое считается «отравленным». Роботы получали очки в зависимости от того сколько времени проведут около источников пищи и/или «яда». Кроме того, роботы могли «общаться» друг с другом, посредством световых сигналов.

Роботы могли «эволюционировать» из-за того, что каждый робот был оснащен искусственной нейронной сетью контролируемой бинарным «геномом». В ходе экспериментов эволюция роботов приводила иногда к тому, что роботы обучались даже обманывать соперников, испуская «неправильный» свет, находясь возле кормушки (чтоб не привлекать к кормушке конкурентов).

а) б) в) Рис. 1. а) Мини-роботы проекта SwarmRobot; б) роботы проекта Swarmanoid; в) s-бот

Роботы-разведчики Scout. Центр распределенной робототехники, Университет Миннесоты, США. Начало работ — 2001 г. ([Rybski a.o., 2001]).

Устройство состоит из корпуса цилиндрической формы с двумя колёсами, а также устройством для совершения прыжков — взводимой упругой пластины.

Предназначенный для разведки, робот представляет собой очень качественное с технической точки зрения устройство. Его «тактико-технические характеристики»:

Длина: 110 мм;

Диаметр: 40 мм;

Вес: 200 г;

Скорость: 30 см/с;

Привод: 2 колеса, механизм для прыжков;

Высота прыжка: до 30 см.;

Сенсоры: камера, акселерометры, энкодеры на колесах, магнетометры;

Время функционирования: в неподвижном состоянии — 120 мин., при движении на полной скорости — 70 минут, 100 прыжков;

Коммуникации: 6 каналов связи.

При этом робот может действовать в составе коллектива. Интересно, что его конструкция позволяет производить «отстрел» с помощью устройства, напоминающего автоматический гранатомет.

Развитием проекта стала разработка робота-разведчика Throwbot компанией ReconRobotics (2011 г.). Робот снабжен «хвостиком» для балансированного движения и антеннами. Длина робота составляет 187 мм., а вес — 0.5 кг. Для изготовления Throwbot использовались сверхпрочные материалы — титан и авиационный алюминий, которые позволяют забрасывать робота в помещение с расстояния в тридцать метров.

Робот предназначен для помощи полицейским и спасательным службам в проведении опасных операций. Throwbot может быть заброшен в захваченное террористами или горящее здание для подробного изучения сложившейся ситуации. Он транслирует оператору видеозапись происходящего благодаря встроенной в его корпус видеокамере. Скорость передвижения робота около одного километра в час.

Интересно, что производство роботов Throwbot ограничено числом в 2000 экземпляров в первый год и в 8000 во второй, так как использоваться он может только специальными службами и только в особых, угрожающих жизни людей случаях.

а) б) в) Рис. 2. Роботы-разведчики. а) робот Scout, б) пусковое устройство, в) робот Throwbot

Забегая вперед, отметим, что в обоих этих проектах реализовано централизованное управление. Имеется центральное устройство управления, куда поступает полученная роботами информация и которое управляет роботами, причем основным режимом работы является управление роботами оператором.

Мы сознательно не говорили о робофутболе. С одной стороны, футбол роботов — это как нельзя более удачный пример коллективного взаимодействия. Более того, это направление развивается весьма успешно вот уже не одно десятилетие. Одна только ассоциация RoboCup насчитывает 5 основных и 3 дополнительные лиги. Тем не менее, робофутбол не интересен для нашего обзора в силу того, что применяемые в нем методы и решения носят частный, зачастую сугубо технический характер. Робофутбол, как направление — это реципиент, а не донор идей.