Мы рассматриваем здесь все виды модульной робототехники, и когда мы это делаем, мы почти всегда говорим об одной общей роботизированной системе, состоящей из множества различных модулей, некоторые из которых можно индивидуально контролировать или менять местами. Что общего у этих систем, так это то, что есть один мозг (обычно компьютер, сидящий где-то на столе), который интерпретирует все сенсорные данные от модулей, а затем предоставляет указания каждому модулю. По сути, отдельные роботы образуют нервную систему, которая передает информацию в централизованный мозг, аналогично тому, как работают люди, как и большинство немодульных роботов.
Хотя такая система достаточно хорошо работает в исследовательской среде, идеальный вариант использования модульных роботов — сделать их более децентрализованными, чтобы любой отдельный модуль мог быть частью нервной системы или мозга по запросу, в зависимости от того, что робот в целом пытается выполнить. В недавней статье в Nature Communications Нитин Мэтьюз, Андерс Лайн Кристенсен, Рехан О’Грейди, Франческо Мондада и Марко Дориго из университетов Лиссабона, Брюсселя и Швейцарии представляют идею «объединяемой нервной системы для роботов» с каркас для полностью модульных робототехнических систем:
Мы представляем роботов, чьи тела и системы управления могут объединяться в совершенно новых роботов, сохраняющих полный сенсомоторный контроль. Наша парадигма управления позволяет роботам проявлять свойства, превосходящие свойства любой существующей машины или любого биологического организма: роботы, которые мы представляем, могут объединяться в более крупные тела с помощью единого централизованного контроллера, разделяться на отдельные тела с независимыми контроллерами и самовосстанавливаться. путем удаления или замены неисправных частей тела. Эта работа приближает нас к роботам, которые могут автономно изменять свой размер, форму и функции.
Прохладно!
Роботы, используемые в этом исследовании, — это Swarmanoids, модульные роботы, которые мы подробно рассматривали в прошлом , хотя в статье они упоминаются как «роботы с объединяемой нервной системой (MNS)». Один робот MNS может состоять из произвольного количества единиц Swarmanoid, а роботы MNS могут разделяться или объединять несколько роботов в одного робота, в зависимости от их цели. Каждый робот MNS имеет один модуль, который функционирует как мозг, но модуль мозга не ограничен этим конкретным модулем, и он может перемещаться, разделяться или объединяться вместе с физической структурой робота.
Изображение: Марко Дориго и Нитин Мэтьюз / Nature CommunicationsТри автономных робота MNS со светодиодами разных цветов.
Один модуль действует как мозг, а остальные модули робота (независимо от их конфигурации) образуют остальную нервную систему. Модули, расположенные дальше от мозга, собирают данные датчиков, передавая их своим родительским модулям, которые синтезируют их и передают уточненные данные по цепочке. Со своей стороны, модуль мозга принимает все решения высокого уровня, которые передаются обратно в отдельные исполнительные модули.
Результатом этой способности является то, что роботы MNS необычайно гибки и устойчивы в отличие от большинства модульных роботов. Вам не нужно беспокоиться об уязвимости одного модуля мозга, и, имея достаточно обобщенных модулей, вы можете преобразовать свой рой роботов в столько конфигураций, сколько вам нужно, легко компенсируя любой физический ущерб, который может произойти.
Таким образом, роботы MNS представляют собой новый класс роботов с возможностями, превосходящими возможности любой существующей машины или биологического организма: робот MNS может разделиться на отдельных автономных роботов, каждый с независимым блоком мозга, поглощать роботизированные блоки с разными возможностями в свое тело и самостоятельно исцелять, удаляя или заменяя неисправные части тела, включая неисправный мозг.
Для получения более подробной информации мы поговорили с Нитином Мэтьюзом, который, помимо того, что является первым автором этой статьи, в настоящее время является кандидатом наук в Университете Свободы Брюсселя и инженером-программистом в Netcetera, компании-разработчике программного обеспечения, базирующейся в Швейцарии.
IEEE Spectrum : Что такое нервная система робота и как она работает с традиционными роботами?
Нитин Мэтьюз: сенсомоторную систему, которая физически соединяет центральный процессор робота с его датчиками и исполнительными механизмами, можно рассматривать как нервную систему робота, весьма похожую (по крайней мере на концептуальном уровне) на биологическую нервную систему животного более высокого порядка с единый мозг, контролирующий тело хозяина. У большинства современных роботов структура нервной системы определяется во время проектирования и остается неизменной в течение всего срока службы робота.
Чем отличаются роботы с объединяемой нервной системой и какие преимущества у них есть?
Представьте, что вы находитесь в физическом контакте с кем-то и — при взаимном согласии — можете использовать его тело как продолжение вашего собственного. Вы будете видеть то, что видят они, слышать то, что они слышат, и двигать их конечностями, как если бы они были вашими собственными. Такой подвиг невозможен не только для человека, но и для всех живых организмов. Однако в научной фантастике концепция сливающихся тел совсем не нова.
Самый известный пример может быть из фильма Джеймса Кэмерона 2009 года « Аватар» . В этом фильме коньоподобное существо (по имени диархорс) становится продолжением тела всадника На’ви, когда он или она физически соединяет обе нервные системы с помощью выступающих нервных расширений, доступных для обоих тел. Эта нейронная связь может использоваться всадником для легкого управления ездой, передавая моторные команды непосредственно из своего мозга. И наоборот, сенсорная информация, включая боль, которую испытывает животное, сразу становится доступной всаднику. Короче говоря, это то, что мы пытались воспроизвести в мире роботов.
Преимущества многочисленны: управление роботом MNS не требует адаптации во время выполнения, даже когда физическая структура робота изменяется (например, чтобы справляться с новыми задачами). Робот MNS также может спонтанно заимствовать физические функции, доступные только одноранговому роботу, спустя долгое время после его первоначального развертывания — аналогично наезднику На’ви, заимствующему передвижные способности дикхорса в фильме « Аватар ». Еще одна очень полезная функция, которую мы смогли продемонстрировать, — это способность MNS обнаруживать сбои оборудования и реагировать на них, вызывая процедуру самовосстановления. Теоретически, пока доступны запасные части и достаточно энергии, робот MNS вообще не может быть подвержен сбоям в работе программных или аппаратных компонентов.
Можете ли вы описать, что происходит, когда один робот MNS разделяется или когда два робота MNS объединяются?
Когда происходит расщепление, то есть когда существующее тело разделяется на одну или несколько отдельных частей, роботы MNS способны мгновенно создавать новые единицы мозга в каждой из этих новых частей, что позволяет им работать как новые, полностью функциональные роботы с нервной системой, адаптированной к новый кузов.
Когда два робота MNS объединяются, две единицы мозга или две организации, принимающие решения, должны быть объединены в одно тело. Представьте, что вы держитесь за руки с четырьмя друзьями и пытаетесь бежать к движущейся цели. Это будет беспорядочно по своей природе, поскольку есть четыре отдельных субъекта, принимающих решения, которые необходимо координировать. С другой стороны, роботы MNS способны решить эту проблему на техническом уровне, беспрепятственно передавая управление одной единице мозга и возвращая управление, когда это необходимо.
Как объединяемые нервные системы можно применить к будущему поколению практических роботов и для каких задач они будут полезны?
Объединяемые нервные системы для роботов могут иметь большое значение в будущем. Приложения, в которых роботам необходимо физически взаимодействовать друг с другом, представляют собой идеальных кандидатов. Это могут быть нанороботы, работающие внутри человеческого тела, или роботы, работающие на чужих планетах (представьте себе усовершенствованную версию гуманоидного робота, работающего на Марсе, объединяющего свое тело и сенсомоторную координацию с марсоходом, в который он только что прыгнул).
Над чем ты работаешь дальше?
Наше внимание, несомненно, сосредоточено на переходе от двумерной плоской поверхности к работе в трехмерном мире. Для этого нам, возможно, потребуется рассмотреть другие способы установления физических соединений между отдельными роботами. В этом контексте мы также будем изучать другие формы передвижения — подумайте о независимых роботах, объединяющих силы в трехмерном пространстве, чтобы затем совершать двуногую прогулку, или выполнять ползание, лазание или перекатывание, чтобы преодолевать препятствия в своей среде. лучше всего подходит.