“Dumme Roboter” erledigen Aufgaben, indem sie ihre physikalischen Eigenschaften nutzen

Um Schwärme von Robotern kollektiv handeln zu lassen, müssen Forscher ihre Interaktionen durch fortschrittliche Algorithmen und Komponenten choreographieren. Wenn die Roboter jedoch einfach sind und keine fortschrittliche Programmierung haben, kann koordiniertes Verhalten selten erreicht werden.

Dana Randall, ADVANCE-Professor für Informatik, und Daniel Goldman, Dunn Family Professor, haben ein Team von Forschern am Georgia Institute of Technology geleitet, um dieses Problem anzugehen. Das Team wollte demonstrieren, wie einfache Roboter trotzdem Aufgaben erledigen können, die über die Fähigkeiten eines einzelnen Roboters hinausgehen.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science Advances am 23. April veröffentlicht.

Dumme Roboter erledigen komplexe Aufgaben

Die sogenannten “dummen Roboter” bestehen im Wesentlichen aus mobilen granularen Partikeln, und diese sollten in der Lage sein, komplexe Aufgaben zu erledigen. Die Forscher berichteten, dass sie alle Sensoren, Kommunikation, Speicher und Rechenleistung aus den Robotern entfernen und stattdessen die physikalischen Eigenschaften der Roboter nutzen konnten, um eine Reihe von Aufgaben zu erledigen. Laut dem Team wird diese Eigenschaft als “Aufgaben-Verkörperung” bezeichnet.

Die BOBbots, die für “behaving, organizing, buzzing bots” stehen, wurden nach Bob Behringer benannt, einem Pionier der Granularphysik.

Die Roboter sind “so dumm, wie sie nur sein können”, sagt Randall. “Ihre zylindrischen Chassis haben vibrierende Bürsten darunter und lose Magnete an ihrer Peripherie, was dazu führt, dass sie mehr Zeit an Orten verbringen, an denen sie mehr Nachbarn haben.”

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Computersimulationen

Zusätzlich zur experimentellen Plattform verließ sich das Team auch auf präzise Computersimulationen unter der Leitung von Shengkai Li, einem Physikstudenten am Georgia Tech. Diese Simulationen halfen dabei, verschiedene Aspekte des Systems zu untersuchen, die im Labor nicht untersucht werden konnten.

Die BOBbots sind extrem einfach, aber die Forscher konnten dennoch demonstrieren, dass wenn die Roboter sich bewegen und miteinander kollidieren, “kompakte Aggregate bilden, die in der Lage sind, gemeinsam Trümmer zu beseitigen, die für einen einzelnen Roboter zu schwer sind”, erklärt Goldman. “Während die meisten Menschen immer komplexere und teurere Roboter bauen, um Koordination zu gewährleisten, wollten wir sehen, welche komplexen Aufgaben mit sehr einfachen Robotern erledigt werden können.”

Die Arbeit des Teams wurde von einem theoretischen Modell von Partikeln inspiriert, die auf einem Schachbrett bewegen. Um ein mathematisches Modell der BOBbots zu studieren, wurde eine theoretische Abstraktion entwickelt, die als selbstorganisiertes Partikelsystem bezeichnet wird. Durch die Kombination von Wahrscheinlichkeitstheorie, statistischer Physik und stochastischen Algorithmen konnte das Team beweisen, dass mit zunehmenden magnetischen Wechselwirkungen das theoretische Modell einen Phasenübergang durchläuft. Es ändert sich schnell von verteilt zu aggregiert und bildet kompakte Cluster, ähnlich wie Systeme wie Wasser und Eis.

Randall ist auch Professor für Informatik und außerordentlicher Professor für Mathematik am Georgia Tech.

“Die strenge Analyse zeigte uns nicht nur, wie wir die BOBbots bauen können, sondern auch, dass unser Algorithmus eine inhärente Robustheit aufweist, die es ermöglicht, dass einige der Roboter fehlerhaft oder unvorhersehbar sind”, sagt Randall.