После того, как вы устроили веселый пикник на заднем дворе с друзьями, вы начинаете менее веселый процесс уборки. Несмотря на вашу решимость, вы, вероятно, оставите после себя несколько крошек, а остатки вашего пикника на заднем дворе, вероятно, соберут одну из лучших команд природы.
Все начинается с того, что рой голодных муравьев приближается к груде измельченных картофельных чипсов на цементе. Кусочек за кусочком муравьи собирают крошки, чтобы отнести их обратно в гнездо. Крошечные насекомые работают вместе, помогая поднимать кусочки, в несколько раз превышающие их размер. Действуя сообща, они достигают того, чего не может сделать один человек в одиночку.
Что, если бы мы могли создать роботов, подобных этим муравьям, способных работать как независимо, так и как единое целое? По большей части создание небольших армий роботов было дорогим и отнимало много времени, что заставляло ученых придерживаться компьютерных симуляций, а не реальных вещей.
ВведитеКилоботыИсследователи Гарвардского университета создали маленьких ботов в надежде создать простой и дешевый способ тестированияалгоритмов - или запрограммированных шаги для решения проблем - через группу из многих роботов. По состоянию на март 2012 года группа создала небольшие стаи килоботов с более важной целью - создать «килобит» килоботов: коллектив из 1024 человек (отсюда и название проекта).
Эти простые машины могут помочь тестировать и развивать сложное поведение других типов роботов. Сторонники Kilobot говорят, что система может точно настраивать роботов, которые находят и спасают людей из рухнувших зданий или, возможно, помогают убирать липкие масляные шарики из загрязненной среды.
Думайте о килоботах как об испытательном флоте: они не обязательно будут обладать качествами, такими как колеса, которые будут иметь другие машины. Скорее, они представляют собой игровую площадку, где ученые могут экспериментировать и решать любые проблемы со своим программированием, прежде чем вкладывать свои деньги в исследования в более крупных и сложных роботов.
Создание роя
Управление одним роботом может быть несложным делом, но заставить всю группу работать с такой же точностью не так просто или дешево.
Одним из главных достоинств килоботов является их простой дизайн и низкая цена. Майкл Рубенштейн, который вместе с другими исследователями из Гарвардского университета помогал разрабатывать роботов, говорит, что сокращение затрат и времени сборки было приоритетом.
Каждый компонент имеет основное предназначение, независимо от того, перемещается ли он или подает сигналы своим механическим приятелям поблизости. Килоботы уникальны тем, что остаются в «спящем режиме», пока их не вызовет верхний контроллер. Человек может включить целый рой килоботов, послав один сигнал, а не включать вручную каждого робота.
Если вы мечтаете о 1,3-дюймовом (33-миллиметровом) килоботе, вот базовый список того, что вам нужно, чтобы воплотить его в жизнь:
- Круглая печатная плата (PCB), служащая основой робота
- Перезаряжаемый ионно-литиевый аккумулятор со сроком службы от 3 до 10 часов
- Два вибромотора, которые перемещают робота по кругу и по прямой (тот же принцип, по которому мобильный телефон перемещается по столу, когда он вибрирует)
- Три жестких опоры, которые поднимают робота примерно на четыре пятых дюйма (2 сантиметра) над заданной поверхностью
- Разнонаправленный передатчик и приемник инфракрасного света, расположенный в нижней части робота
- Светодиод, способный сигнализировать красным, зеленым и синим цветом
- Потолочный контроллер для передачи сообщений с помощью инфракрасных сигналов на расстоянии около 3 футов (1 метр) под устройством
- Панель управления - компьютер для ввода команд
- Зарядная станция
- В основном плоская поверхность, идеально подходящая для отражения инфракрасного света (обычно белая поверхность)
Готово? Давайте углубимся в то, что на самом деле могут делать килоботы.
Биты и боты
Детали для каждого килобота стоят менее 15 долларов - примерно в 10 раз дешевле, чем самые дешевые коллективные роботы по состоянию на 2012 год. Сборка одного робота занимает около пяти минут. А для экспертов по программированию и робототехнике проект этих базовых роботов находится в открытом доступе, а это означает, что шаги доступны для всех. Компания под названием K-Team Corporation также продает собранные килоботы.
Килоботы в действии
Мы говорили это раньше. Повторим еще раз: килоботы созданы для того, чтобы быть лучшими тестировщиками алгоритмов.
Допустим, сотрудники службы экстренной помощи хотят доставить на место происшествия роботов для поисково-спасательной операции. Им нужно знать, насколько хорошо машины могут общаться друг с другом. Именно здесь килоботы особенно полезны в качестве тестовых манекенов.
Каждый робот может отражать инфракрасный сигнал от земли к другому боту рядом с ним, позволяя ему чувствовать, где он находится по отношению к другим роботам в рое (см. рисунок). Отражение этого сигнала также может гарантировать, что соседи-роботы находятся на той же странице, когда и как предполагается выполнять задачу. Знание того, где находятся другие роботы, имеет важное значение, когда речь идет об обнаружении объектов в заданной среде и возвращении их на базу.
На данный момент килоботы освоили три основных типа поведения роя: добыча пищи, управление формированием и синхронизация.
Foraging - это то, на что это похоже: приказать нескольким роботам рассредоточиться и исследовать территорию вокруг них. С Kilobots идея состоит в том, чтобы сократить время, необходимое для поиска корма в определенном месте. Вот где сигнализация другим в рое пригодится. Майкл Рубинштейн, исследователь, принимавший участие в разработке роботов, говорит, что поиск пищи в группе намного эффективнее, чем в одиночку, особенно в экстренных ситуациях.
" Если в результате землетрясения рухнуло здание, и в этом здании застрял человек, то если вы пошлете одного робота, поиск этого человека может занять гораздо больше времени, чем если вы пошлете большую группу роботов. найти этого человека», - говорит он. Хотя рухнувшее здание и плоская белая доска - совершенно разные среды, алгоритмы, используемые для навигации в них, похожи.
Другой важной частью эффективных роев являетсяуправление формированием, способность вести себя в унисон или в определенной части роя. Поддерживая связь друг с другом, килоботы обладают виртуальным датчиком азимута, который дает каждому реалистичное представление о его положении в группе. Вместо того, чтобы использовать аппаратное обеспечение для достижения этой цели, килоботы обходятся базовым программным обеспечением и более продвинутыми алгоритмами. Выполнение сложных действий с использованием как можно меньшего количества оборудования воплощает в себе дух килоботов.
В системе, где каждый робот должен находиться на одной странице,синхронизация имеет значение. Если часть роя должна выполнить задачу в течение определенного периода времени, а затем переключиться на другую через несколько секунд, вся группа должна иметь одни и те же внутренние часы. Один из способов визуализировать это - представить рой из 1000 килоботов, каждый из которых использует свой светодиод для представления пикселя в большом видео, которое можно просматривать сверху. Чтобы знать, какой цвет сигнализировать в любой момент времени, каждый килобот должен использовать одни и те же часы.
Маленький бот, большой удар
Несмотря на то, что килоботы - любимцы академических кругов, в реальном мире они тоже многообещающи. Они своего рода чертежные доски. Скажем, какой-нибудь вдохновленный исследователь мечтает построить рой роботов-насекомых для опыления сельскохозяйственных культур. Ему или ей было бы полезно сначала протестировать килоботов.
Маленькие боты также могут пролить свет нароевой интеллект или на коллективное поведение группы, а также на то, как лучше управлять большими бандами роботов.
Возьмем, к примеру, общественный транспорт. Муравьи используют это поведение, чтобы нести продукты питания (например, крошки картофельных чипсов) обратно в свое гнездо. Исследователи выяснили, что особую роль в этом процессе играют определенные особи - муравьи и роботы. Некоторые могут создать цепочку, которая направляет собирателей обратно к гнезду, в то время как другие отвечают за совместную работу по переносу объекта из одного места в другое. На арене Kilobot тестирование того же принципа может помочь школьным роботам обнаруживать и убирать беспорядок в заданной среде - например, разливы нефти.
Они также могут пригодиться для создания более качественных карт или снимков окружения. Роботы могли бы сделать это, исследуя область и создавая пространственную карту для справки. Другие задания могут включать опыление сельскохозяйственных культур или руководство поисково-спасательными операциями.
Майкл Рубинштейн, один из ученых, создавших килоботов, говорит, что будущие исследования будут сосредоточены на разработке новых алгоритмов, облегчающих управление роем. Программирование роботов для выполнения коллективных транспортных действий и поиск способов создания из роботов полезных форм (например, обрушившейся части здания) остаются приоритетами. Кто знает, может быть, Килоботы вдохновят роботов, похожих на любимцев научной фантастики Трансформеров. Идея состоит в том, чтобы иметь умных, меньших роботов, которые могут соединяться, чтобы сформировать более крупного и мощного робота.
Тем не менее, Рубинштейн говорит, что есть много возможностей для улучшения. Создание роя из 1000 роботов заняло время. И хотя килоботы могут корректировать свои действия, им не хватает точности при перемещении на большие расстояния.
Примечание автора
Муравьи слетаются к предмету, в несколько раз превышающему их размер, и без особых усилий поднимают его (или так кажется). Но есть целый слой коммуникации, который мы упускаем, если не присматриваемся. Если нам нужны разумные машины с аналогичными возможностями, мы должны воспользоваться некоторыми советами природы. Когда я писал о Kilobots, меня больше всего удивили не сами роботы, а уровень детализации, необходимый для работы программ и алгоритмов. Килоботы лишь скользят по поверхности, когда дело доходит до увлекательных идей, которые проверяют исследователи. Эти крошечные механические армии служат напоминанием о том, насколько аккуратен и сложен мир, и что попытка понять его - половина удовольствия.