Объединить микророботов в один рой, чтобы они вместе выполняли задачу — очевидная идея. И очень эффективная на практике!
Давайте разберем, как работают технологии, вдохновлённые пчёлами и муравьями. Они уже помогают людям на складах, фермах и в зонах катастроф, а в будущем станут повсеместными.
История с роем роботов мне напоминает знаменитое высказывание:
«Один варвар может сразить одного и даже двух римлян. Но когда десять римских легионеров встретятся с десятью варварами, победят римляне. Потому что они воюют плечом к плечу, как одно целое.». Античная мудрость.
Эту мысль можно сформулировать короче:
«В поединке варвар сильнее, но в строю римлянин непобедим.»
Представьте себе недалекое будущее: над долиной гудит лёгкий рой. Несколько сотен дронов подлетают к реке, синхронно начинают укладывать лёгкие блоки.
Обычная стройка против стройки роботов
Через шесть часов — готовый мост. Ни одного инженера на месте. Ни одного начальника. Только рой роботов, каждый весом с банку газировки.
Представьте себе рой дронов, строящих мост без единого матершинного слова. Вот она — мечта любого прораба на пенсии.
Сейчас нам это кажется фантастикой, но это уже почти реальность — дело совсем недалекого будущего. (Может, наконец, начнет жилье дешеветь? Ибо строить его станет куда проще! Извините, это личное:))
Так работает роевая робототехника — область, в которой тысячи простых машин координируются как единый организм. Они действуют без главного управляющего, без центрального мозга. При этом умудряются собираться в фигуры, переносить грузы, строить и спасать людей.
Большие роботы проигрывают такому рою по множеству задач.
Один супер-робот с десятками датчиков и мощным процессором уже не кажется вершиной техногенной эволюции. Такой робот — очень дорогой, хрупкий. Зависит от связи и электропитания. А вот тысяча простых, но синхронизированных роботов… это уже мозг из муравейника, логистика из пчелиного улья и стратегия из косяка рыб.
Что такое роевая робототехника
Тысяча простых роботов = один сверхразум. Вот главный принцип роевой робототехники, заимствованный у насекомых.
Каждый робот может только ползать, светить лампочкой и пищать. Но вместе, объединившись в рой, они могут искать людей под завалами, строить дома и более масштабные конструкции. И заниматься сельским хозяйством.
Как? Очень просто: они ведут себя как муравьи.
Муравей сам по себе — не Эйнштейн. Но в группе они строят подземные города, прокладывают маршруты к еде и даже создают мосты из собственных тел, если надо перейти через канаву. Никаких приказов сверху они не получают — работают инстинкты и алгоритмы поведения, которые включаются если муравей получает сигнал от соседа.
Точно так же устроена коллективная робототехника: у каждого робота свой мозг — микроконтроллер, свой набор датчиков, и он общается только с ближайшими соседями. А в результате получается роевой интеллект.
Никакой диспетчер сверху не нужен. У каждого робота есть базовый набор правил: «если рядом движется сосед — держи дистанцию», «если увидел сигнал — передай дальше», «если пусто — ищи цель».
Дальше роботы начинают сами выбирать направление, разделять задачи, строить маршруты и карты местности. Если какой-то робот сломался — строй будет вскоре восстановлен.
Как устроен один роевой робот
В роевой системе каждый робот — это как клетка в теле. Сам по себе — ничего особенного. Но вместе — организм.
Вот, например, Kilobot — экспериментальный робот из Гарварда. Весит 35 граммов, размером с печеньку, стоит около 20 долларов.
Он укомплектован так:
- Микроконтроллер. Мини-мозг, который выполняет простейшие команды.
- Три вибромотора. Позволяет перемещаться, пусть часто и неуклюже.
- ИК-сенсоры. Видит соседей и препятствия на расстоянии до 15 см.
- ИК-светодиод. Передаёт сигналы товарищам.
- Батарейка. Хватает на два часа работы, после этого нужна подзарядка.
Корпус килобота компактный и лёгкий, состоит из композитов.
Один муравей — дурачок. Муравейник — инженерное чудо.
Один Kilobot — еле ездит. Тысяча строит кубик или карту местности.
Никакого искусственного интеллекта, камер и навигации по спутникам. Но если таких Kilobot’ов будет сотня — они начнут формировать фигуры, строить, исследовать местность, таскать грузы, и всё это без главного компьютера.
Как роботы взаимодействуют между собой
Роботы в рое используют локальные каналы связи, чтобы общаться только с ближайшими коллегами:
Инфракрасные сигналы. Работает на коротком расстоянии, дешево, экономит энергию. По сути, как пульт от телевизора.
Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth. Эти технологии используются уже для более продвинутых ройных систем. Позволяет общаться на десятки метров. Минус — жрут энергию очень сильно, батарейка быстрее разряжается.
Свет, звук, вибрации — некоторые роботы даже используют моргание, жужжание или тактильные сигналы.
Стигмергия. Это уже забавная схема, заимствованная у муравьев, когда они оставляют «метки» по дороге, которые считывают другие. У муравьев — это химические вещества. В нашем случае это может быть вспышка света или микроскопическая наклейка с QR-кодом.
Главное, что роботы не перегружаются данными, они получают только локальные сигналы. Именно это делает рой легко масштабируемым: добавь ещё сотню и всё будет работать.
Как роботы принимают решения
Если роботы сами по себе тупые (будем откровенны! с их то микроконтроллером) кто ими управляет? Никто. Алгоритмы коллективного поведения и делают из них коллектив.
Вот три схемы, по которым они принимают решения:
Держать дистанцию. По схеме, как птицы в стае. Каждый робот следит за соседями, чтобы двигаться примерно в том же направлении. Роботы корректируют курс, чтобы не столкнуться и держать оптимальное расстояние до других. В итоге вся группа движется слаженно, как волна.
Консенсус. Каждый робот получает информацию от соседей, обновляет свои задачи, и в итоге рой «договаривается», например, куда лететь или где копать.
Магнетизм. Роботы «притягиваются» друг к другу, если слишком далеко, и «отталкиваются», если слишком близко. Естественно, условно я использовал аналогию с магнитом. Там ничего не магнитится — просто они следят, калибруют расстояние друг с другом.
Один умный против тысячи простых: кто победит
Соберу сравнение в одной табличке. Тут наглядно видно, что рой роботов имеет преимущество в решении большинства задач. А один умный робот — это скорее больше имиджевое решение для красоты.
Где уже трудятся рои роботов
Склады Amazon
На складах Amazon трудятся тысячи роботов, правда они относительно крупнее своих собратьев из Гарварда.
Каждый такой робот передвигает целые стеллажи с товарами, сам находит оптимальный маршрут.
На одном складе таких может быть до 15 000 штук одновременно. Ни одного диспетчера. Только роевой интеллект роботов и умные алгоритмы, которые позволяют доставлять новый чайник быстрее, чем вы успеете пожалеть о покупке.
Роботы фермеры
SwarmFarm Robotics в Австралии использует рой автономных роботов для: посева, подкормки, прополки и мониторинга.
Каждый робот точечно обрабатывает нужные растения. Без перерасхода химии, без уплотнения почвы, без пьяного тракториста в 6 утра.
А ещё есть проект SAGA — роевые дроны, летающие над полями и уничтожающие сорняки точечно. Пестицидов используют в 10 раз меньше.
Поиск и спасение
После землетрясения в Турции в 2023 году использовали роевые дроны, чтобы обследовать завалы.
Один дрон быстро садится, ломается или теряется. А сотня дронов покрывает территорию в 100 км² за час. Они строят карту, передают её друг другу и спасателям. Работают в условиях, где людям просто опасно находиться — химия, радиация, обрушения.
Сколько стоит собрать рой из 1000 роботов
Если речь о простых роботах вроде Kilobot — около 20–30 долларов за штуку, то получится примерно от 20 000 долларов за рой.
Но если это промышленные роботы — логистические или дроны — сумма вырастает за миллионы. Потому что это уже крупные уйстройства. Один робот может стоить 5 000–20 000 долларов.
Роевые роботы в России
У нас тоже развивается роевая робототехника. Есть несколько интересных проектов.
МФТИ, СПбПУ, МГУ: муравейник в лаборатории
МФТИ (Физтех) развивает проекты на базе платформ e-puck и Arduino-ботов, моделируя самоорганизацию и распределение задач. Пока их робот изучает навигацию и строит маршруты.
В СПбПУ есть лаборатории, где разрабатывают коллективное восприятие и картографирование, включая роевые ЛИДАР-системы. Нужны для картографии, патрулирования и мониторинга.
МГУ исследует поведенческие алгоритмы и адаптивные модели кооперации, а также занимается созданием биомиметических роботов, вдохновлённых поведением муравьёв и пчёл.
В МГУ оттачивают технологию роя. Чтобы ходили по струнке и переговаривались друг с другом.
В России уже реализованы промышленные прототипы:
Росатом тестировал рои наземных роботов для инспекции закрытых объектов, где человек не может пройти. Там суровые условия — радиация, химия и ограниченное пространство.
На оборонных предприятиях разрабатываются рои дронов, способные действовать автономно для разведки.
Россия пока не лидер по массовому внедрению ройных решений, но исследовательская и экспериментальная база крепкая. Главное — не упустить момент и ежедневно вкладывать в развитие этих технологий. Отставание в этой сфере критически опасно.
И вот почему.
Будущее роевой робототехники: план на 10 лет
В ближайшие 3–5 лет роевые помощники начнут появляться на улицах и в больницах.
Умные города
Уже тестируются рои роботов, которые могут:
- управлять светофорами в реальном времени (фатальное снижение пробок)
- чистить улицы в автоматическом режиме (и они будут готовы к снегу в ноябре, в отличие от коммунальщиков!)
- отслеживать ДТП и направлять потоки транспорта.
Самый большой прорыв здесь будет в умной логистике, когда роботы упростят доставку всего и вся. Это должно удешевить продукты и товары для нас с вами. Но это точно перспективы 5++ лет.
Медицина
В лабораториях — микророботы размером с клетку, которые работают роем внутри организма:
- находят опухоли
- доставляют лекарства точечно
- проводят биопсию, не повреждая ткани
Кстати, в медицине разработано много интересных лекарств, которые ждут своего часа. Потому что их невозможно доставить к месту болезни. Например, оно быстро метаболизируется в печени. А такие роботы смогут преодолевать органические барьеры.
Космос
Уже сейчас NASA, ESA и китайские инженеры разрабатывают рои спутников и микродронов. Это в перспективе откроет такие возможности:
- исследование астероидов
- разведка Луны и Марса
- ремонт спутников и станций без вмешательства человека
И не думайте, что это какая-то «научная ерунда», интересная лишь ученым. На астероидах и планетах есть залежи ценнейших ресурсов. Если роботы смогут их добывать в перспективе — это будет фантастический рост благосостояния. Мы получим доступ к новым технологиям, в которых сейчас ограничены. Например, из-за пресловутого дефицита редкоземельных металлов, которых в космосе навалом. В этой статье я писал про астероид Психея, стоимость которого равна современной мировой экономике за 100 тысяч лет. А в этой статье — какие ресурсы есть на Луне и почему Америка и Китай так рвутся ее осваивать.
Среднесрочная перспектива (10 лет): строители и домашние помощники
Рои-строители. 3D-печать зданий и мостов коллективами из десятков или сотен роботов. Каждый кладёт свой кирпичик. Конструкции будут возводиться за считанные часы там, где сейчас требуются месяцы!
Экологический мониторинг. Рои будут:
- следить за лесными пожарами
- отслеживать миграции животных
- анализировать качество воды, почвы и воздуха в реальном времени
Домашние рои. Пылесосы, охранники, няньки, дроны, которые летают за покупками. Умный дом будет выглядеть как мини-улей из гаджетов, которые не конкурируют, а кооперируются.
Ну а через 15+ лет роботы смогут работать на других небесных телах. Начнут, естественно, с Луны. В дальнейшем проводить тераформирование. Рои роботов могут готовить поверхность Марса для людей.
Плюс появятся роботы, которые делают… новых роботов. Пока звучит жутковато, но если хотим заселять далекие планеты — без этого не обойтись.
Но, конечно, эти технологии надо контролировать. У Станислава Лема есть замечательный философский научно-фантастический роман «Непобедимый», где он еще в 1964 году предсказал появление роевых роботов. И в его романе они уничтожили целую технологичную цивилизацию.