Van zwermen vogels tot scholen vissen in de zee, of torenhoge termietenheuvels, veel sociale groepen in de natuur bestaan ​​samen om te overleven en te gedijen. Dit coöperatieve gedrag kan door ingenieurs worden gebruikt als "bio-inspiratie" om praktische menselijke problemen op te lossen, en door computerwetenschappers die zwermintelligentie bestuderen.

"Zwermrobotica" begon in de vroege jaren 2000, een vroeg voorbeeld is de "s-bot" (afkorting van swarm-bot). Dit is een volledig autonome robot die basistaken kan uitvoeren, waaronder navigatie en het grijpen van objecten, en die zichzelf tot kettingen kunnen assembleren om gaten te overbruggen of zware lasten te trekken. Recenter, "TERMES" robots zijn ontwikkeld als concept in de bouw, en het "CoCoRo"-project heeft een onderwaterrobotzwerm ontwikkeld die functioneert als een school vissen die informatie uitwisselt om de omgeving te bewaken. Tot dusver, we zijn nog maar net begonnen met het verkennen van de enorme mogelijkheden die dierencollectieven en hun gedrag kunnen bieden als inspiratie voor het ontwerpen van robotzwermen.

Robots die in grote aantallen kunnen samenwerken, zouden dingen kunnen bereiken die voor een enkele entiteit moeilijk of zelfs onmogelijk zouden zijn. Na een aardbeving, bijvoorbeeld, een zwerm zoek- en reddingsrobots zou snel meerdere ingestorte gebouwen kunnen verkennen op zoek naar tekenen van leven. Bedreigd door een grote bosbrand, een zwerm drones kan de hulpdiensten helpen de verspreiding van de brand te volgen en te voorspellen. Of een zwerm drijvende robots ("Row-bots") zou kunnen knabbelen aan oceanische vuilnisbelten, aangedreven door plastic-etende bacteriën.

Bio-inspiratie in zwermrobotica begint meestal met sociale insecten – mieren, bijen en termieten – omdat kolonieleden sterk verwant zijn, die een indrukwekkende samenwerking bevordert. Drie andere kenmerken spreken onderzoekers aan:robuustheid, omdat individuen verloren kunnen gaan zonder de prestaties te beïnvloeden; flexibiliteit, omdat sociale insectenwerkers kunnen inspelen op veranderende werkbehoeften; en schaalbaarheid, omdat de gedecentraliseerde organisatie van een kolonie duurzaam is met 100 arbeiders of 100, 000. Deze kenmerken kunnen vooral nuttig zijn voor taken zoals milieumonitoring, die dekking vereist van enorme, gevarieerde en soms gevaarlijke gebieden.

Sociaal leren

Naast sociale insecten, andere soorten en gedragsfenomenen in het dierenrijk bieden ingenieurs inspiratie. Een groeiend gebied van biologisch onderzoek is in dierculturen, waar dieren sociaal leren om gedrag op te pikken dat ze waarschijnlijk niet alleen zullen innoveren. Bijvoorbeeld, walvissen en dolfijnen kunnen verschillende foerageermethoden hebben die van generatie op generatie worden doorgegeven. Dit omvat vormen van gebruik van gereedschap - er is waargenomen dat dolfijnen zeesponzen afbreken om hun snavels te beschermen terwijl ze op zoek gaan naar vissen, zoals iemand een handschoen over een hand zou kunnen doen.

Vormen van sociaal leren en kunstmatige robotculturen, misschien met behulp van vormen van kunstmatige intelligentie, zou in de loop van de tijd zeer krachtig kunnen zijn in het aanpassen van robots aan hun omgeving. Bijvoorbeeld, ondersteunende robots voor thuiszorg kunnen zich in de loop van de tijd aanpassen aan menselijke gedragsverschillen in verschillende gemeenschappen en landen.

Robot (of dieren) culturen, echter, afhankelijk zijn van leervaardigheden die kostbaar zijn om te ontwikkelen, die een groter brein nodig hebben - of, in het geval van robots, een meer geavanceerde computer. Maar de waarde van de "zwerm"-benadering is om robots in te zetten die eenvoudig, goedkoop en wegwerpbaar. Zwermrobotica maakt gebruik van de realiteit van opkomst ("meer is anders") om sociale complexiteit te creëren vanuit individuele eenvoud. Een meer fundamentele vorm van 'leren' over de omgeving zien we in de natuur – in gevoelige ontwikkelingsprocessen – waarvoor geen grote hersenen nodig zijn.

'Fenotypische plasticiteit'

Sommige dieren kunnen van gedragstype veranderen, of zelfs verschillende vormen ontwikkelen, vormen of interne functies, binnen dezelfde soort, ondanks dezelfde initiële "programmering". Dit staat bekend als "fenotypische plasticiteit" - waarbij de genen van een organisme verschillende waarneembare resultaten produceren, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. Een dergelijke flexibiliteit is te zien in de sociale insecten, maar soms zelfs nog dramatischer bij andere dieren.

De meeste spinnen zijn beslist solitair, maar in ongeveer 20 van de 45, 000 spinnensoorten, individuen leven in een gedeeld nest en vangen voedsel op een gedeeld web. Deze sociale spinnen profiteren van het hebben van een mix van "persoonlijkheidstypes" in hun groep, bijvoorbeeld brutaal en verlegen.

Mijn onderzoek identificeerde een flexibiliteit in gedrag waarbij schuwe spinnen in een rol zouden stappen die werd verlaten door afwezige stoutmoedige nestgenoten. Dit is nodig omdat de spinnenkolonie een balans van gedurfde individuen nodig heeft om collectieve predatie aan te moedigen, en schuchtere om zich te concentreren op nestonderhoud en ouderlijke zorg. Robots kunnen worden geprogrammeerd met aanpasbaar risicogedrag, gevoelig voor groepssamenstelling, met brutalere robots die gevaarlijke omgevingen binnengaan, terwijl verlegenre robots weten zich in te houden. Dit kan heel nuttig zijn bij het in kaart brengen van een rampgebied zoals Fukushima, inclusief de gevaarlijkste onderdelen, terwijl wordt voorkomen dat te veel robots in de zwerm tegelijk worden beschadigd.

Het aanpassingsvermogen

Rietpadden werden in de jaren dertig in Australië geïntroduceerd als een ongediertebestrijding, en zijn sindsdien zelf een invasieve soort geworden. In nieuwe gebieden worden rietpadden als enigszins sociaal gezien. Een reden voor hun groei in aantal is dat ze zich kunnen aanpassen aan een breed temperatuurbereik, een vorm van fysiologische plasticiteit. Zwermen robots met de mogelijkheid om van stroomverbruikmodus te wisselen, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden zoals de omgevingstemperatuur, aanzienlijk duurzamer kunnen zijn als we willen dat ze voor de lange termijn autonoom kunnen functioneren. Bijvoorbeeld, als we robots willen sturen om Mars in kaart te brengen, dan zullen ze te maken krijgen met temperaturen die kunnen schommelen van -150 °C aan de polen tot 20 °C aan de evenaar.

Naast gedrags- en fysiologische plasticiteit, sommige organismen vertonen morfologische (vorm)plasticiteit. Bijvoorbeeld, sommige bacteriën veranderen van vorm als reactie op stress, worden langwerpig en dus veerkrachtiger om door andere organismen te worden "opgegeten". Als zwermen robots modulair kunnen combineren en (her)assembleren tot meer geschikte structuren, kan dit zeer nuttig zijn in onvoorspelbare omgevingen. Bijvoorbeeld, groepen robots kunnen samenkomen voor de veiligheid wanneer het weer een uitdagende wending neemt.

Of het nu de "culturen" zijn die zijn ontwikkeld door dierengroepen die afhankelijk zijn van leervermogen, of het meer fundamentele vermogen om "persoonlijkheid" te veranderen, interne functie of vorm, zwermrobotica heeft nog veel kilometers over als het gaat om inspiratie uit de natuur te halen. We zouden zelfs het gedrag van verschillende soorten willen mixen en matchen, om zelf robot "hybriden" te maken. De mensheid staat voor uitdagingen, variërend van klimaatverandering die de oceaanstromingen beïnvloedt, aan een groeiende behoefte aan voedselproductie, tot ruimteverkenning - en zwermrobotica kunnen een beslissende rol spelen met de juiste bio-inspiratie.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.