“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 zeigen, wie einfache Roboter trotzdem Aufgaben erledigen können, die über die Fähigkeiten eines einzelnen Roboters hinausgehen.

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

Dumme Roboter erledigen komplexe Aufgaben

Die als “dumme Roboter” bezeichneten Roboter sind im Grunde mobile granulare Teilchen, und das Team wollte beweisen, dass diese komplexe Aufgaben erledigen können. 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, einem Pionier der granularen Physik, benannt.

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

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Computersimulationen

Neben der experimentellen Plattform nutzte das Team auch präzise Computersimulationen, die von Shengkai Li, einem Physikstudenten am Georgia Tech, geleitet wurden. 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 zeigen, dass wenn die Roboter zusammen bewegen und aneinander stoßen, “kompakte Aggregate entstehen, die in der Lage sind, kollektiv 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 Teilchen inspiriert, die auf einem Schachbrett bewegen, und um ein mathematisches Modell der BOBbots zu untersuchen, wurde eine theoretische Abstraktion entwickelt, die als selbstorganisiertes Teilchensystem bezeichnet wird. Durch die Verwendung von Wahrscheinlichkeitstheorie, statistischer Physik und stochastischen Algorithmen konnte das Team beweisen, dass das theoretische Modell, wenn die magnetischen Wechselwirkungen zunehmen, einen Phasenübergang durchläuft und schnell von dispergiert zu aggregiert wechselt und kompakte Cluster bildet, ähnlich wie in Systemen wie Wasser und Eis.

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

“Die strengen Analysen zeigten uns nicht nur, wie wir die BOBbots bauen können, sondern auch eine inhärente Robustheit unseres Algorithmus, der es ermöglicht, dass einige der Roboter fehlerhaft oder unvorhersehbar sind”, sagt Randall.