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群机器人2——蜂群机器人:物联网的又一大飞跃

作者:小罐子 时间:2020/01/10 阅读:5188
物联网即将经历一个巨大的飞跃,但几乎没有人知道它。它被称为“蜂群机器人”,涉及蜜蜂和其他正在改变世界的社会性昆 […]

物联网即将经历一个巨大的飞跃,但几乎没有人知道它。它被称为“蜂群机器人”,涉及蜜蜂和其他正在改变世界的社会性昆虫。

群体智能远远超出了当前物联网应用程序所能提供给世界的东西,比如未来主义的改进,以及在当今许多更先进的城市和家庭中见到的令人惊叹的原型。

你将会看到,它们非常适合某些类型的业务和工业应用程序,并以令人兴奋的方式使世界变得更安全、更美好、更简单。

应对危险的任务

蜂群机器人可以用来处理危险的任务,以减少或消除对人类的风险。基于危险程度,机器人个体存在损失的可能性,这就需要关注群体的容错能力。一些例子包括:

  • 搜索和救援
  • 清理泄漏的有毒物质
  • 排雷

当需要高灵活性和可伸缩性时

有些任务在开始时很难或难以估计完成任务所需的资源量。例如,当你为管理石油泄漏或溢出分配资源时,你无法预见石油产量或时间演变。这使得资源分配倍加困难。

处理此类任务时,灵活性和可伸缩性应该是部署集群机器人的重点。你可以根据需要添加或剔除机器人,以便根据工作不断发展的需求来提供适当的资源。一些应用程序包含跟踪、清理、特定搜索和场景救援。

非结构化的任务/环境

当需要在非常大或非正式的环境中完成任务时,群机器人可能是有用的。在这些情况下,你没有可利用的控制机器人的基础设施,例如全球本地化系统或通信网络。

而蜂群机器人符合这一要求,因为它们能够在没有任何基础设施或集中控制系统的情况下自主工作。主要用例包括:

  • 地外或水下远行
  • 排雷
  • 监测
  • 搜救任务

动态的环境

某些环境可能会随着时间的推移而迅速变化,如飓风或地震等自然灾害后。建筑物可能会倒塌,改变原有的环境布局,造成无法预见的危险。在这里,需要定制高度灵活的群机器人。

用例包括:

  • 搜索和救援
  • 巡逻
  • 灾难恢复任务

蜂群机器人如何获得能量

只有用电池供电的群机器人才有意义。专家推荐使用锂聚合物电池,因为它能提供比较高的电流输出和能量密度。它们很轻量、格式灵活、使用安全,能抵抗过度充电。然而,如果处理不当,这些类型的电池可能是危险的,所以必须保护它们免受过压/欠压、过流和过热。

对于一个大型的机器人群体来说,手动充电是不现实的。相反,可以编写一个模块,教机器人在电量不足时找到充电的坞站。

与蜂群机器人日常任务相比,在充电站寻找和停靠是一种更高层次的任务。因此,除了模块外,充电站的设计应该尽可能的直观。例如,在充电期间,计算机和机器人之间的高速双向通信将是有用的。

电池部分包括充放电管理,以确保电池健康安全。由于明显的原因,群机器人必须安装流量管理电路。然而,充电管理电路可能放置在机器人之外(在对接站的计算机系统中)。

外部部署也有好处,比如更直接的机器人设计,这让它们的采购成本更低。但是,如果目标是保持一个机器人在群体中的自主性,那么它必须配备所有必要的工具来启用适当的功能。

充电是机器人功能的核心,因此在机器人中同时拥有充放电管理系统是有意义的。

群机器人如何连接到云计算

对于群机器人来说,自主的微型机器间需要彼此通信,必要时还需要与云通信。这种将云计算和群机器人结合在一起的进化被称为群计算,它仍然处于起步阶段。

云计算将云原理与网络原理结合在一起,为集群或物联网生态系统带来了更高的功能和灵活性。它的重点是提高数据共享和移动性,以及允许临时控制连接到云的设备。

投资云机器人最明显的优势是能够将更困难的任务委托给云中的高智能代理。云协作应该能够使集群机器人在遇到更困难的挑战时,连接到云中的智能机器人。同时,应该有实时的数据处理、支持和响应,并由人或机器人来通知自主机器人的动作/响应。

现在,我们仍然需要更多的研究来确定如何操作、管理和部署高度分布式的云服务。这将需要高水平的创新和自动化。但鉴于物联网和群体智能的扩散,这将是必不可少的。

群机器人在现实世界中的应用

尽管云群机器人和物联网是一个相对较新的领域,只有几年的历史,但不同的组织已经在这个领域中进行了深入的探索。下面是一些公司和组织使用群机器人来为操作的各个方面提供动力的用例:

1. 军用国防部微型无人机

蜂群机器人的军事应用可能是最重要的。美国国防部已经在加利福尼亚的中国湖展示了最大的微型无人机群之一。该群体表现出了高级的群体智能,如决策、自愈和适应性编队飞行。

和名字一样,被称为Perdix的无人机像一个有机体一样工作,它们共享一个分布式大脑,进而能够相互适应,并做出有利于整个蜂群的决定。在没有领袖的情况下,蜂群可以优雅地适应无人机离开或进入团队。

理想情况下,五角大楼希望使用这些小型、低成本、自主的无人机来完成与大型、昂贵的无人机相同的任务。然而,他们很乐意提到,无人机不会在未来的战场上取代人类。相反,它们将使人类获得信息,以便更快地做出更好的决策。

2. 蜜蜂机器人

受生物现象的启发,威斯研究所的研究人员正在开发蜜蜂机器人的原型,它可以执行各种救灾和与农业相关的任务。蜂机器人非常小,只有回形针的一半大小,重量只有0.1克或更少。它的飞行动力由“人造肌肉”提供,这是一种暴露在电压下会收缩的材料。

一些蜂机器人模型可以在水下游泳或飞行,也可以利用静电在表面“栖息”。研究人员希望创造出微型的空中自动驾驶车辆,能够在大群体中实现自主飞行和协同工作。

蜜蜂机器人可以用于评估自然灾害或恐怖主义行为后的基础设施损害程度,并为智能救援工作对受害者进行定位。

3. 具有成本效益的模块化机器人

多伦多大学机械工程系的一个研究小组开发了一种名为mROBerTO的模块化机器人。模块化机器人是能够自动改变形状并执行不同功能的机器人。

这些能力对于机器人研究来说是必不可少的,因为需要成千上万的小型机器人来测试行为算法和功能。为了使这些微型机器人具有成本效益,有必要确保每台机器人的成本尽可能低。否则,研究费用将高得令人望而却步,进而阻碍该领域的进展。

mROBerTO是一个模块化的机器人,它可以由普通的和可负担的材料制成。尽管mROBerTo的主要目的是为群机器人研究人员提供廉价的物理工具,进而测试群行为算法,但它同样可以用于各种应用程序。

这些机器人的设计使研究人员能够使用相同的机器人骨架来改变硬件部件,以测试不同的算法、形状和功能。模块化的微型机器人使得人们对一个部分/模块进行改变时,不影响其他部分的功能。

未来的群机器人研究

在许多不同的领域,有数百种可能的群体机器人研究。从理论上讲,这项技术将在人类无法干预的领域(如纳米医学)或过于危险的领域(如搜救、核反应堆、化工厂、矿山等)发挥作用。

然而,这只有在研究人员找到成本有效地建造机器人群体的方法时才有可能。这是mROBerTO的制造商们所采用的思路(尽管每台60美元,一群100个机器人的成本是6000美元,仍然很高)。

同样,目前的机器人研究大多是在受控的实验室环境中进行的,而没有模拟现实世界的约束。因此,找到将群机器人带出实验室并投入现实世界的方法将变得至关重要,特别是因为大多数应用程序要求群机器人在快速变化的环境中具有高度的灵活性,而且没有外部干预参与。

来自西英格兰大学和布里斯托尔大学的一个联合研究小组目前正在研究一种技术,这种技术可以在群体被部署到真实环境中时,自动发现合适的群体策略。

该领域的未来研究将包括使用动态环境来测试群机器人的响应,并确定更适合现实应用的设计。

群机器人:这一切要花多少钱?

这是一个复杂的问题,因为一个机器人群体的成本取决于很多因素,比如:

  • 复杂性
  • 群体数量
  • 自主水平
  • 一定程度的灵活性/适应性需要

例如,科罗拉多大学希望获得一种名为“液滴”的群体机器人,这种机器人可以自我充电,并以100或1000只为一组工作。2014年,仅100只的成本就高达1万美元。

很容易理解的是,尽管有价值,但群集机器人的研究对许多企业来说仍然遥不可及。通常,制造这些机器人的人都有足够的资金——他们是计算机科学家、计算机工程师或拥有高等学位的电子工程师。制造这些机器人的零部件——发动机、照相机、传感器等——也很昂贵。

结语

群机器人将成为本世纪最重要的技术进步之一。它的应用,特别是在灾难恢复和管理方面将是无穷无尽的,具有很强的应用和现实意义。

当然,对于许多应用来说,群机器人的研究仍处于起步阶段,这取决于你在本文中了解到的不同挑战。假以时日,随着更好的技术变得更廉价、更容易获得,我们将看到群机器人成为商业运作和决策的重要组成部分——为了更大的利益。

 

原文作者:Benjamin Shepardson

本文来自翻译,如需转载,请先获得本站授权。

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