Individuele mieren zijn relatief eenvoudige wezens en toch kan een mierenkolonie complexe taken uitvoeren, zoals bouwen, foerageren en verdedigen. Onlangs hebben onderzoekers van Harvard zich laten inspireren door mieren om een team van relatief eenvoudige robots te ontwerpen die gezamenlijk complexe taken kunnen uitvoeren met slechts een paar basisparameters. Het onderzoek is gepubliceerd in ELife.
“Dit project ging verder met een blijvende interesse in het begrijpen van de collectieve dynamiek van sociale insecten zoals termieten en bijen, vooral hoe deze insecten de omgeving kunnen manipuleren om complexe functionele architecturen te creëren”, zegt L Mahadevan, de Lola England de Valpine Professor of Applied Mathematics , van Organmic and Evolutionary Biology, and Physics, en senior auteur van paper.
Het onderzoeksteam begon met het bestuderen van hoe zwarte houtmieren samenwerken om uit een zachte kraal te graven en te ontsnappen. “In het begin bewogen de mieren in de kraal willekeurig rond, communicerend via hun antennes voordat ze begonnen samen te werken om uit de kraal te ontsnappen”, zegt S Ganga Prasath, een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences en een van de hoofdauteurs van het artikel.
Mieren vertrouwen voornamelijk op hun antennes om te interageren met de omgeving en andere mieren, een proces dat antennen wordt genoemd. De onderzoekers merkten op dat de mieren zich spontaan verzamelden rond gebieden waar ze vaker met elkaar omgingen. Zodra een paar mieren begonnen te tunnelen in de kraal, sloten anderen zich snel aan. uit de kraal.
Uit deze observaties identificeerden Mahadevan en zijn team twee relevante parameters om de opgravingstaak van de mieren te begrijpen; de kracht van collectieve samenwerking en de snelheid van opgraven. Numerieke simulaties van wiskundige modellen die deze parameters coderen, toonden aan dat de mieren alleen met succes kunnen graven als ze voldoende sterk met elkaar samenwerken en tegelijkertijd efficiënt graven.
Gedreven door dit begrip en voortbouwend op de modellen, bouwden de onderzoekers robotmieren, bijgenaamd RAnts, om te zien of ze konden samenwerken om aan een soortgelijke kraal te ontsnappen. In plaats van chemische feromonen gebruikten de RAnts ‘fotormonen’, lichtvelden die worden achtergelaten door de zwervende RAnts die feromoonvelden of antennes nabootsen.
De RAnts werden alleen geprogrammeerd via eenvoudige lokale regels: om de gradiënt van het fotoromoonveld te volgen, andere robots te vermijden waar de fotoromoondichtheid hoog was en obstakels op te pikken waar de fotoromoondichtheid hoog was en ze te laten vallen waar de fotoromoondichtheid laag was. Deze drie regels stelden de RAnts in staat om snel aan hun opsluiting te ontsnappen, en, net zo belangrijk, stelden de onderzoekers ook in staat om gedragsgebieden te verkennen die moeilijk te detecteren waren met echte mieren.
“We hebben laten zien hoe de coöperatieve voltooiing van taken kan voortvloeien uit eenvoudige regels en soortgelijke gedragsregels kunnen worden toegepast om andere complexe problemen op te lossen, zoals constructie, opsporing en redding en verdediging.” zei Prasath.
Deze aanpak is zeer flexibel en robuust voor fouten in detectie en controle. Het kan worden opgeschaald en toegepast op teams van tientallen of honderden robots die gebruik maken van een reeks verschillende soorten communicatievelden. Het is ook veerkrachtiger dan andere benaderingen van gezamenlijke probleemoplossing – zelfs als een paar individuele roboteenheden falen, kan de rest van het team de taak voltooien.
“Ons werk, waarin laboratoriumexperimenten, theorie en robotimitatie worden gecombineerd, benadrukt de rol van een kneedbare omgeving als communicatiekanaal, waarbij zelfversterkende signalen leiden tot het ontstaan van samenwerking en daarmee de oplossing van complexe problemen. Zelfs zonder globale vertegenwoordiging, planning of optimalisatie leidt de wisselwerking tussen eenvoudige lokale regels op individueel niveau en de belichaamde fysica van het collectief tot intelligent gedrag en is daarom waarschijnlijk breder relevant”, aldus Mahadevan.
