一種群體機(jī)器人方法受到微生物中觀察到的行為的啟發(fā)

許多動(dòng)物和微生物能夠完成復(fù)雜的任務(wù)，例如尋找食物或建立巢穴，團(tuán)隊(duì)或“群體”。其中一個(gè)最明顯的例子就是蜜蜂，因?yàn)樗鼈冏鳛橐粋€(gè)群體的生存在很大程度上取決于與其殖民地其他成員的合作。在過(guò)去幾年中，越來(lái)越多的研究人員試圖在機(jī)器人中重現(xiàn)這些迷人的群體動(dòng)力學(xué)，從而形成了一個(gè)稱為群體機(jī)器人的研究領(lǐng)域。

利茲大學(xué)的研究人員最近提出了一種新的群體機(jī)器人方法，稱為趨化性，受到微生物中觀察到的特定行為的啟發(fā)。他們的研究預(yù)先發(fā)表在arXiv上，源于作者對(duì)動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中簡(jiǎn)單無(wú)脊椎動(dòng)物生存的興趣，以及這些策略如何應(yīng)用于機(jī)器人。

“在我的博士和第一次博士后研究期間，我研究了一種名為秀麗隱桿線蟲(chóng)(一種流行的模式生物)的小蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并成功運(yùn)用我學(xué)到的來(lái)控制蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，”開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一喬丹·博伊爾告訴TechXplore。“目前的工作受到同一生物體的啟發(fā)，但這一次，正在考慮其更高層次的行為 - 特別是它利用其嗅覺(jué)導(dǎo)向食物來(lái)源的方式。”

在沒(méi)有感覺(jué)輸入的情況下，秀麗隱桿線蟲(chóng)通常向前移動(dòng)，但是以隨機(jī)的時(shí)間間隔進(jìn)行大轉(zhuǎn)彎。如果他們感覺(jué)到“正面”氣味隨著它們向特定方向移動(dòng)而變得越來(lái)越強(qiáng)烈，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率就會(huì)降低。相反，當(dāng)“正面”或“期望”氣味變?nèi)鯐r(shí)，它們的可能性更大。這種被稱為趨化性的行為最終會(huì)讓他們傾向于所需的感官刺激達(dá)到頂峰的位置。在他們的研究中，博伊爾，他的同事穆罕默德·多爾達(dá)和博士生西蒙·奧布特開(kāi)始復(fù)制這個(gè)機(jī)器人群中的群策略并評(píng)估其有用性。

“這種策略的一個(gè)主要好處是它只需要一個(gè)模擬傳感器，因?yàn)閯?dòng)物移動(dòng)時(shí)會(huì)隨著時(shí)間的推移檢測(cè)到梯度，”Boyle解釋道。“在我們的工作中，我們已經(jīng)用聲音取代了氣味，因?yàn)樗菀子脵C(jī)器人創(chuàng)造和感知，并且隨著你從源頭進(jìn)一步變得更弱，”Boyle解釋道。“這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它允許一組群體機(jī)器人被限制在特定區(qū)域(即聲源周圍)，而不需要物理邊界，映射能力或復(fù)雜的傳感系統(tǒng)。”

該視頻顯示了機(jī)器人隨機(jī)探索環(huán)境以收集感興趣的項(xiàng)目的模擬。目標(biāo)僅限于特定區(qū)域，但機(jī)器人不是。正如人們所預(yù)料的那樣，他們?cè)O(shè)法收集了不少目標(biāo)，但隨著時(shí)間的推移，他們離開(kāi)工作區(qū)而未能收集其余的目標(biāo)。

研究人員使用他們開(kāi)發(fā)的算法，將趨化性應(yīng)用于一群探索機(jī)器人，最終促使他們返回到位于無(wú)限環(huán)境中的巢穴周圍的特定工作區(qū)域。他們?cè)谝幌盗心M和硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了它們的性能，從而測(cè)試了它們的方法的有效性。雖然他們的結(jié)果主要是基于模擬而不是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)現(xiàn)，但研究人員發(fā)現(xiàn)他們成功地整合了聲音傳播的精確模型。

“我們的硬件結(jié)果是初步的，但在這一點(diǎn)上很有希望，”Boyle說(shuō)。“最終，這項(xiàng)工作可能與物理群體有關(guān)，這些群體由非常小，廉價(jià)的機(jī)器人組成，具有有限的感官和計(jì)算能力。雖然實(shí)際上，機(jī)器人群的實(shí)際部署還有一段距離，但它們?cè)谠S多應(yīng)用中具有潛力。”

在未來(lái)，真實(shí)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)可以幫助確定這種新的生物啟發(fā)方法的有效性。如果這些測(cè)試產(chǎn)生積極的結(jié)果，Boyle及其同事開(kāi)發(fā)的算法最終可用于增強(qiáng)機(jī)器人群的導(dǎo)航和定向策略，特別是當(dāng)他們導(dǎo)航的環(huán)境沒(méi)有明確映射或定義時(shí)。

第二個(gè)視頻實(shí)現(xiàn)了趨化機(jī)制。同樣，機(jī)器人正試圖通過(guò)隨機(jī)探索收集所有目標(biāo)。但是，該區(qū)域中間現(xiàn)在有一個(gè)聲源。當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到聲音強(qiáng)度低于某個(gè)值時(shí)，他們開(kāi)始使用趨化性行為向源頭移動(dòng)(通過(guò)增加/減少他們根據(jù)聲音是否越來(lái)越強(qiáng)的隨機(jī)轉(zhuǎn)彎的機(jī)會(huì))。仍然沒(méi)有物理屏障或任何東西，我們可以看到該機(jī)制非常有效地將它們限制在感興趣的區(qū)域。

Obute目前正致力于將趨化性整合到更復(fù)雜的群體機(jī)器人系統(tǒng)中，模擬以及一些硬件實(shí)驗(yàn)中。他的最終博士學(xué)位 該項(xiàng)目專門(mén)研究了使用群機(jī)器人進(jìn)行城市垃圾收集的可能性。另一方面，博伊爾計(jì)劃繼續(xù)探索可能對(duì)機(jī)器人應(yīng)用特別有用的生物策略。

“目前，我有興趣將類似技術(shù)應(yīng)用于我所參與的一個(gè)重大項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)用于監(jiān)測(cè)下水道和供水網(wǎng)絡(luò)完整性的機(jī)器人系統(tǒng)，”Boyle說(shuō)。