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Enjambre de micro-robots Jasmine de código abierto que se recargan
Un equipo de robots iRobot Create en el Instituto de Tecnología de Georgia

La robótica de enjambre es un enfoque para la coordinación de múltiples robots como un sistema que consiste en un gran número de robots físicos en su mayoría simples . [1] Se supone que un comportamiento colectivo deseado surge de las interacciones entre los robots y las interacciones de los robots con el medio ambiente. [2] Este enfoque surgió en el campo de la inteligencia artificial de enjambres , así como en los estudios biológicos de insectos, hormigas y otros campos de la naturaleza, donde ocurre el comportamiento del enjambre .

Definición [ editar ]

La investigación de la robótica de enjambres tiene como objetivo estudiar el diseño de los robots, su cuerpo físico y sus comportamientos controladores . [2] Está inspirado pero no limitado por [3] el comportamiento emergente observado en insectos sociales , llamado inteligencia de enjambre . Las reglas individuales relativamente simples pueden producir un gran conjunto de comportamientos de enjambre complejos . Un componente clave es la comunicación entre los miembros del grupo que construye un sistema de retroalimentación constante. El comportamiento del enjambre implica un cambio constante de individuos en cooperación con otros, así como el comportamiento de todo el grupo.

A diferencia de los sistemas robóticos distribuidos en general, la robótica de enjambre enfatiza una gran cantidad de robots y promueve la escalabilidad , por ejemplo, utilizando solo la comunicación local. [4] Esa comunicación local, por ejemplo, se puede lograr mediante sistemas de transmisión inalámbrica , como radiofrecuencia o infrarrojos . [5]

Objetivos y aplicaciones [ editar ]

La miniaturización y el costo son factores clave en la robótica de enjambres. Estas son las limitaciones en la construcción de grandes grupos de robots; por lo tanto, se debe enfatizar la simplicidad del miembro individual del equipo. Esto debería motivar un enfoque inteligente de enjambre para lograr un comportamiento significativo a nivel de enjambre, en lugar de a nivel individual.
Muchas investigaciones se han dirigido a este objetivo de simplicidad a nivel de robot individual. Ser capaz de utilizar hardware real en la investigación de Swarm Robotics en lugar de simulaciones permite a los investigadores encontrar y resolver muchos más problemas y ampliar el alcance de Swarm Research. Por lo tanto, el desarrollo de robots simples para la investigación de inteligencia de Swarm es un aspecto muy importante del campo. Los objetivos incluyen mantener bajo el costo de los robots individuales para permitir la escalabilidad., haciendo que cada miembro del enjambre requiera menos recursos y sea más eficiente en términos de energía.

En comparación con los robots individuales, un enjambre comúnmente puede descomponer sus misiones dadas en sus subtareas; [1] un enjambre es más resistente al fallo parcial del enjambre y es más flexible con respecto a las diferentes misiones. [1] [6]

Uno de estos sistemas de enjambre es el Sistema Robótico LIBOT [7] que involucra un robot de bajo costo construido para robótica de enjambre al aire libre. Los robots también están diseñados para uso en interiores a través de Wi-Fi, ya que los sensores GPS proporcionan una mala comunicación dentro de los edificios. Otro intento de este tipo es el micro robot (Colias), [8] construido en el Laboratorio de Inteligencia Informática de la Universidad de Lincoln , Reino Unido. Este micro robot está construido sobre un chasis circular de 4 cm y es una plataforma abierta y de bajo costo para su uso en una variedad de aplicaciones de Swarm Robotics.

Aplicaciones [ editar ]

Las aplicaciones potenciales de la robótica de enjambres son muchas. Incluyen tareas que exigen miniaturización ( nanorobótica , microbótica ), como tareas de detección distribuida en micromaquina o en el cuerpo humano . Uno de los usos más prometedores de la robótica de enjambres es en misiones de búsqueda y rescate. [9] [10] Se podrían enviar enjambres de robots de diferentes tamaños a lugares a los que los rescatistas no pueden llegar con seguridad, para explorar el entorno desconocido y resolver laberintos complejos [10] mediante sensores integrados. [9] Por otro lado, la robótica de enjambre puede adaptarse a tareas que exigen diseños económicos, por ejemplo, mineríao tareas de pastoreo agrícola. [11]

Más controvertido, enjambres de robots militares pueden formar un ejército autónomo. Las fuerzas navales estadounidenses han probado un enjambre de barcos autónomos que pueden gobernar y tomar acciones ofensivas por sí mismos. Los barcos no están tripulados y pueden equiparse con cualquier tipo de equipo para disuadir y destruir los barcos enemigos. [12]

Durante la Guerra Civil Siria , las fuerzas rusas en la región informaron de ataques a su base principal de la fuerza aérea en el país por enjambres de aviones no tripulados cargados con explosivos. [13]

La mayoría de los esfuerzos se han centrado en grupos relativamente pequeños de máquinas. Sin embargo, Harvard demostró un enjambre que consta de 1.024 robots individuales en 2014, el más grande hasta la fecha. [14]

Otro gran conjunto de aplicaciones puede resolverse utilizando enjambres de microvehículos aéreos , que también se investigan ampliamente en la actualidad. En comparación con los estudios pioneros de enjambres de robots voladores que utilizan sistemas precisos de captura de movimiento en condiciones de laboratorio, [15] los sistemas actuales como Shooting Star pueden controlar equipos de cientos de microvehículos aéreos en entornos al aire libre [16] utilizando sistemas GNSS (como GPS) o incluso estabilizarlos utilizando sistemas de localización a bordo [17] cuando el GPS no esté disponible. [18] [19] Ya se han probado enjambres de microvehículos aéreos en tareas de vigilancia autónoma, [20] seguimiento de plumas [21] y reconocimiento en una falange compacta. [22] Se han realizado numerosos trabajos sobre enjambres cooperativos de vehículos terrestres y aéreos no tripulados con aplicaciones específicas de monitoreo ambiental cooperativo, [23] localización y mapeo simultáneos , [24] protección de convoyes, [25] y localización y seguimiento de blancos móviles. [26]

Además, se ha avanzado en la aplicación de enjambres autónomos en el campo de la fabricación, lo que se conoce como impresión 3D de enjambres . Esto es particularmente útil para la producción de grandes estructuras y componentes, donde la impresión 3D tradicional no se puede utilizar debido a limitaciones de tamaño del hardware. La miniaturización y la movilización masiva permiten que el sistema de fabricación logre una invariancia de escala , no limitada en el volumen de construcción efectivo. Si bien se encuentra en su etapa inicial de desarrollo, la impresión 3D enjambre está siendo comercializada por empresas de nueva creación. Utilizando el proceso de fabricación aditiva de metal de impresión rápida por inducción, Rosotics [27]fue la primera empresa en demostrar la impresión 3D en enjambre utilizando una carga útil metálica, y la única en lograr la impresión 3D metálica desde una plataforma aérea. [28]

Enjambre de drones [ editar ]

Los enjambres de drones se utilizan en la búsqueda de objetivos, la visualización de drones y la entrega. [2] Una pantalla de drones comúnmente usa varios drones iluminados por la noche para una exhibición artística o publicidad. Un enjambre de drones en la entrega puede transportar varios paquetes a un solo destino a la vez y superar las limitaciones de carga útil y batería de un solo dron. [29] Un enjambre de drones puede emprender diferentes formaciones de vuelo para reducir el consumo total de energía debido a las fuerzas de arrastre. [2] [30]

Ver también [ editar ]

  • Robótica de hormigas
  • Agentes autónomos
  • Robótica basada en el comportamiento
  • Flocado (comportamiento)
  • Goo gris
  • Kilobot
  • Lista de tecnologías emergentes
  • Microbótica
  • Sistema de agentes múltiples
  • Nanorobótica
  • Nanotecnología en la ficción
  • Fisicomiméticos
  • Materiales robóticos
  • Estrella fugaz (dron)
  • Inteligencia de enjambre
  • Plataformas robóticas Swarm
  • Vehículo aéreo no tripulado / Quadcopter

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c Hu, J .; Bhowmick, P .; Lanzón, A. (2020). "Estrategia de control de contención de formación distribuida de dos capas para sistemas de enjambre lineal: algoritmo y experimentos" . Revista Internacional de Control Robusto y No Lineal . 30 (16).
  2. ^ a b c d Hu, J .; Lanzón, A. (2018). "Un innovador dron de tres rotores y control de enjambre de drones aéreos distribuidos asociados" . Robótica y sistemas autónomos . 103 : 162-174.
  3. ↑ Hunt, Edmund R. (27 de marzo de 2019). "Los animales sociales que están inspirando nuevos comportamientos para los enjambres de robots" . La conversación . Consultado el 28 de marzo de 2019 .
  4. ^ Hamann, H. (2018). Robótica de enjambre: un enfoque formal . Nueva York: Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-74528-2.
  5. ^ N. Correll, D. Rus. Arquitecturas y control de sistemas robóticos en red. En: Serge Kernbach (Ed.): Manual de robótica colectiva, págs. 81-104, Pan Stanford, Singapur, 2013.
  6. ^ Kagan, E .; Shvalb, N .; Gal, I. (2019). Robots móviles autónomos y sistemas de robots múltiples: planificación del movimiento, comunicación y enjambre . John Wiley e hijos. ISBN 9781119212867.
  7. ^ Zahugi, Emaad Mohamed H .; Shabani, Ahmed M .; Prasad, TV (2012), "Libot: Design of a low cost mobile robot for outdoor swarm robics", 2012 IEEE International Conference on Cyber ​​Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER) , págs. 342–347, doi : 10.1109 / CYBER.2012.6392577 , ISBN 978-1-4673-1421-3, S2CID  14692473
  8. ^ Arvin, F .; Murray, JC; Licheng Shi; Chun Zhang; Shigang Yue, " Desarrollo de un micro robot autónomo para la robótica de enjambres ", Mecatrónica y Automatización (ICMA), 2014 IEEE International Conference on, vol., No., Pp.635,640, 3-6 de agosto de 2014 doi: 10.1109 / ICMA. 2014.6885771
  9. ^ a b Hu, J .; Niu, H .; Carrasco, J .; Lennox, B .; Arvin, F., " Exploración autónoma de múltiples robots basados ​​en Voronoi en entornos desconocidos a través del aprendizaje de refuerzo profundo " Transacciones IEEE sobre tecnología vehicular, 2020.
  10. ↑ a b Youssefi, Khalil Al-Rahman; Rouhani, Modjtaba (1 de abril de 2021). "Búsqueda robótica basada en inteligencia de enjambre en entornos desconocidos tipo laberinto" . Sistemas expertos con aplicaciones : 114907. doi : 10.1016 / j.eswa.2021.114907 . ISSN 0957-4174 . 
  11. ^ Hu, J .; Turgut, A .; Krajnik, T .; Lennox, B .; Arvin, F., " Diseño de protocolo de coordinación basado en oclusión para tareas autónomas de pastoreo robótico " Transacciones IEEE sobre sistemas cognitivos y de desarrollo, 2020.
  12. ^ Lendon, Brad. "La Marina de los Estados Unidos podría 'enjambrar' a los enemigos con botes robot" . CNN.
  13. ↑ Madrigal, Alexis C. (7 de marzo de 2018). "Los enjambres de drones van a ser aterradores y difíciles de detener" . El Atlántico . Consultado el 7 de marzo de 2019 .
  14. ^ "Un enjambre de mil robots autoorganizado" . Harvard . 14 de agosto de 2014 . Consultado el 16 de agosto de 2014 .
  15. ^ Kushleyev, A .; Mellinger, D .; Powers, C .; Kumar, V., " Towards a swarm of agile micro quadrotors " Autonomous Robots, Volumen 35, Número 4, pp 287-300, noviembre de 2013
  16. ↑ Vasarhelyi, G .; Virágh, C .; Tarcai, N .; Somorjai, G .; Vicsek, T. Flocado al aire libre y vuelo en formación con robots aéreos autónomos . Conferencia internacional IEEE / RSJ sobre sistemas y robots inteligentes (IROS 2014), 2014
  17. ^ Faigl, J .; Krajnik, T .; Chudoba, J .; Preucil, L .; Saska, M. Sistema integrado de bajo costo para la localización relativa en enjambres robóticos . En ICRA2013: Actas de la Conferencia Internacional IEEE 2013 sobre Robótica y Automatización. 2013.
  18. ^ Saska, M .; Vakula, J .; Preucil, L. Enjambres de microvehículos aéreos estabilizados bajo una localización visual relativa . En ICRA2014: Actas de la Conferencia Internacional IEEE 2014 sobre Robótica y Automatización. 2014.
  19. ↑ Saska, M. MAV-swarms: vehículos aéreos no tripulados estabilizados a lo largo de una ruta determinada utilizando la localización relativa a bordo . En Actas de la Conferencia Internacional de 2015 sobre Sistemas de Aeronaves No Tripuladas (ICUAS). 2015
  20. ^ Saska, M .; Chudoba, J .; Preucil, L .; Thomas, J .; Loianno, G .; Tresnak, A .; Vonasek, V .; Kumar, V. Despliegue autónomo de enjambres de microvehículos aéreos en vigilancia cooperativa . En Actas de la Conferencia Internacional de 2014 sobre Sistemas de Aeronaves No Tripuladas (ICUAS). 2014.
  21. ^ Saska, M .; Langr J .; L. Preucil. Seguimiento de la pluma por un grupo autoestabilizado de microvehículos aéreos . En Modelado y Simulación para Sistemas Autónomos, 2014.
  22. ^ Saska, M .; Kasl, Z .; Preucil, L. Planificación de movimiento y control de formaciones de microvehículos aéreos . En Actas del XIX Congreso Mundial de la Federación Internacional de Control Automático. 2014.
  23. ^ Saska, M .; Vonasek, V .; Krajnik, T .; Preucil, L. Coordinación y navegación de equipos heterogéneos UAV-UGV localizados por un enfoque de ojo de halcón . En Actas de la Conferencia Internacional IEEE / RSJ de 2012 sobre Robots y Sistemas Inteligentes. 2012.
  24. ^ Chung, Soon-Jo, et al. " Una encuesta sobre robótica de enjambres aéreos ". Transacciones IEEE sobre robótica 34.4 (2018): 837-855.
  25. ^ Saska, M .; Vonasek, V .; Krajnik, T .; Preucil, L. Coordinación y navegación de formaciones heterogéneas MAV-UGV localizadas por un enfoque similar a un 'ojo de halcón' bajo un modelo de esquema de control predictivo . International Journal of Robotics Research 33 (10): 1393-1412, septiembre de 2014.
  26. ^ Kwon, H; Pack, DJ Un método robusto de localización de objetivos móviles para vehículos aéreos no tripulados cooperativos que utilizan la calidad de fusión de sensores . Revista de sistemas inteligentes y robóticos, volumen 65, número 1, págs. 479-493, enero de 2012.
  27. ^ https://www.rosotics.com/
  28. ^ "Tecnología" . 25 de julio de 2020.
  29. ^ Alkouz, bálsamo; Bouguettaya, Athman; Mistry, Sajib (18-24 de octubre de 2020). "Drone-as-a-Service (SDaaS) basado en enjambre para la entrega" . Conferencia internacional IEEE sobre servicios web (ICWS 2020) . Consultado el 11 de enero de 2021 .
  30. ^ Alkouz, bálsamo; Bouguettaya, Athman (7 al 9 de diciembre de 2020). "Selección basada en la formación de servicios de enjambre de drones" . 17ª Conferencia Internacional de EAI sobre sistemas móviles y ubicuos: informática, redes y servicios . Consultado el 11 de enero de 2021 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Enjambre robótico totalmente descentralizado que realiza búsqueda y exploración colectiva - Applied Complexity Group and Motion, Energy Control Lab en SUTD
  • Swarm-bots: Enjambres de artefactos autoensamblados - Proyecto EU IST-FET (2001-2005)
  • Video de bot de enjambre galardonado en AAAI 2007