从成群的鸟到海中的鱼群,再到高耸的白蚁丘,自然界中的许多社会群体共同生存和发展。工程师可以将这种合作行为用作“生物灵感”,以解决实际的人类问题,而研究群体智能的计算机科学家也可以使用这种合作行为。

“群机器人”(Swarm robotics)于2000年代初问世,早期的例子就是“ s-bot”(swarm-bot的缩写)中国机械网okmao.com。这是一款全自动机器人,可以执行基本任务,包括导航和抓取物体,并且可以自组装成链条以跨越间隙或拉重物。
最近,“TERMES”的机器人已经发展成为一个在建设理念,以及“COCORO”项目已经开发了一种水下机器人群就像鱼群一样交换信息以监视环境。到目前为止,我们才刚刚开始探索动物集体及其行为可以启发机器人群设计的巨大可能性。
可以大量协作的机器人可以实现单个实体很难甚至无法实现的任务。例如,发生地震后,一大群搜寻和救援机器人可以迅速探索多个倒塌的建筑物,寻找生命迹象。成群的无人机在大火的威胁下,可以帮助紧急服务部门追踪并预测大火的蔓延。或者,一群漂浮的机器人(“行机器人”)可以蚕食由塑料食性细菌驱动的海洋垃圾场。
鸟群的行为-还是模仿它们的机器人?
群体机器人技术中的生物启发通常始于社交昆虫(蚂蚁,蜜蜂和白蚁),因为殖民地成员关系密切,这有利于令人印象深刻的合作。
研究人员还具有三个特征:稳健性,因为个人可以在不影响绩效的情况下迷失自我;灵活,因为社交昆虫工作者能够应对不断变化的工作需求;
和可扩展性,因为殖民地的权力下放组织可以维持100名工人或100,000名工人。这些特性对于进行诸如环境监测之类的工作特别有用,因为环境监测需要覆盖巨大,变化多端,有时甚至是危险的区域。
社会学习
除了社交昆虫之外,动物界中的其他物种和行为现象也为工程师提供了灵感。生物学研究的一个增长领域是动物文化,在动物文化中,动物从事社会学习以发现他们不可能独自创新的行为。
例如,鲸鱼和海豚可以有独特的觅食方法,这些方法可以代代相传。这包括使用工具的形式–人们观察到海豚在生根钓鱼时会折断海洋海绵以保护其喙,就像人可能会戴手套戴在手上一样。
宽吻海豚玩海绵。有些人学会了使用它们来帮助他们捕捞鱼。
社会学习和人工机器人文化的形式,可能使用人工智能的形式,可能会随着时间的推移使机器人适应其环境而变得非常强大。例如,随着时间的推移,用于家庭护理的辅助机器人可以适应不同社区和国家中人类的行为差异。
但是,机器人(或动物)的文化取决于学习能力,而学习能力的开发成本高昂,需要更大的大脑,对于机器人,则需要更先进的计算机。但是,“群策群力”方法的价值在于部署简单,便宜且可抛弃的机器人。
群机器人利用出现的现实(“更多是不同的”)从个人的简单性创造社会复杂性。在自然界中-在敏感的发展过程中-不需要大的头脑就可以看到一种关于环境的更基本的“学习”形式。
社交蜘蛛(Stegodyphus)在南非Addo Elephant Park旋转集体网络。信用:事物/快门图片
“表型可塑性”
尽管具有相同的初始“程序”,某些动物仍可以在同一物种内改变行为类型,甚至发展出不同的形式,形状或内部功能。这就是所谓的“表型可塑性”-生物体的基因根据环境条件产生不同的可观察结果。这种灵活性可以在社交昆虫中看到,但有时在其他动物中则更为明显。
大多数蜘蛛绝对是孤独的,但在45,000种蜘蛛中,大约有20种个体生活在同一个巢中,并在同一个网上捕获食物。这些社交蜘蛛受益于他们的组中混合使用“个性”类型,例如大胆和害羞。
甘蔗蟾蜍可以适应温度变化。
我的研究确定了行为的灵活性,害羞的蜘蛛会进入缺少大胆巢穴的空缺的角色。这是必要的,因为蜘蛛殖民地需要平衡的大胆个体来鼓励集体捕食,而sh懒的个体则要专注于巢的维护和父母的照顾。
可以对机器人进行编程,使其具有可调整的冒险行为,对群体构成敏感,大胆的机器人可以进入危险环境,而害羞的机器人会阻止。这在绘制福岛等灾区(包括最危险的部分)的地图时非常有帮助,同时避免了过多的机器人被立即损坏。
适应能力
甘蔗蟾蜍在1930年代被引入澳大利亚作为一种害虫防治方法,自此成为一种入侵物种。在新的地区,甘蔗蟾蜍被认为有些社交。它们数量增长的原因之一是它们能够适应较宽的温度范围,这是一种生理可塑性。
如果我们希望机器人能够长期自主运行,那么能够根据环境条件(例如环境温度)切换功耗模式的大量机器人可能会更加耐用。例如,如果我们要派机器人去绘制火星地图,那么他们将需要应对极地的温度从-150°C到赤道的20°C的情况。
除了行为和生理可塑性外,某些生物还表现出形态(形状)可塑性。例如,一些细菌响应压力而改变其形状,变长并因此更能抵抗被其他生物“吞噬”。如果机器人群体可以模块化的方式组合在一起,并(重新)组装成更合适的结构,那么这在不可预测的环境中将非常有用。例如,当天气充满挑战时,机器人组可以聚集在一起以确保安全。
无论是依赖于学习能力的动物群体开发的“文化”,还是依赖于改变“个性”,内部功能或形状的更基本的能力,在从大自然中汲取灵感时,群机器人仍然有很多工作要做。
我们甚至可能希望混合并匹配来自不同物种的行为,以创建我们自己的机器人“混合体”。人类面临的挑战包括气候变化影响洋流,对食品生产的日益增长的需求,空间探索以及成群的机器人技术 正确的生物灵感可以发挥决定性的作用。