Hoe Kunstmatige Feromooncommunicatie de Interactie van Zwermrobots Beïnvloedt

De ontwikkeling van zwermrobots, die collectief samenwerken om een taak uit te voeren, heeft het gebruik van kunstmatige feromonen naar voren gebracht als een essentieel communicatiemiddel. Dit concept is geïnspireerd door de manier waarop sociale insecten, zoals mieren, feromonen gebruiken om informatie te delen binnen hun kolonie. In de context van robots wordt deze vorm van communicatie toegepast door virtuele feromonen te gebruiken om de interactie en samenwerking tussen robots in een zwerm te bevorderen.

In de praktijk betekent dit dat de robots in een gedeelde virtuele ruimte werken, waarin ze niet alleen elkaar kunnen "zien" via sensoren, maar ook informatie kunnen uitwisselen door de aanwezigheid van feromonen, zoals licht- of chemische markeringen. Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van dergelijke systemen is dat de robots kunnen reageren op deze virtuele signalen en hun gedrag kunnen aanpassen op basis van de informatie die ze ontvangen.

Kilogrid [391] en Phormica [321] zijn voorbeelden van dergelijke systemen die zijn geïmplementeerd in micro-robots, zoals de Kilobot en de e-puck. In deze systemen werd kunstmatige feromooncommunicatie gebruikt om de zwerm te coördineren, wat zorgde voor efficiëntere taakverdeling en een betere groepsdynamiek. Garnier et al. [131] introduceerden een systeem waarbij feromonen werden gesimuleerd door lichtprojectie via een plafondbevestigde videoprojector, wat een interessant alternatief bood voor de conventionele aanpakken waarbij chemische feromonen werden gebruikt.

Het COSΦ-systeem is een open-source kunstmatig feromoonplatform dat licht gebruikt om virtuele feromoonsporen op een vlakke LCD-scherm te creëren. Dit systeem is bijzonder aantrekkelijk vanwege de hoge resolutie die het biedt voor feromoonimplementaties, wat het mogelijk maakt om zeer gedetailleerde en dynamische omgevingen te creëren. Het systeem maakt gebruik van een eenvoudige digitale camera voor tracking en een LCD-scherm waarop de feromonen visueel worden gepresenteerd als verlichte stippen. Een groot voordeel van dit systeem is de flexibiliteit, die het mogelijk maakt om verschillende parameters zoals verdampingssnelheid, diffusiemodellen en zelfs de dikte van de sporen aan te passen.

Kunstmatige feromoonsystemen gebruiken complexe wiskundige modellen om de intensiteit van de feromonen te berekenen en bij te houden. Het COSΦ-systeem, bijvoorbeeld, maakt gebruik van een twee-dimensionale matrix om de intensiteit van de feromonen bij te houden en de dynamiek van hun verspreiding te simuleren. Dit gebeurt door het berekenen van de interactiviteit tussen verschillende feromoontypes, waarbij elke verandering in de concentratie of verspreiding van een feromoon invloed heeft op de beslissing die de robot neemt. Het systeem maakt gebruik van een aangepaste versie van de Navier-Stokes vergelijking, die normaal gesproken wordt gebruikt om vloeistofstromen te modelleren, maar in dit geval wordt toegepast om de diffusie en verdamping van de feromonen na te bootsen.

Het gedetailleerde model maakt het mogelijk om het effect van elk feromoon op het robotsysteem te bepalen door de interactie van verschillende factoren zoals snelheid, diffusieconstanten en de verdampingssnelheid te berekenen. Het resultaat is een dynamisch en responsief systeem dat, net als in de natuur, continu evolueert op basis van de omstandigheden en de acties van de robots. Zo kan een robot reageren op veranderingen in de omgeving, zoals de aanwezigheid van andere robots of externe invloeden zoals temperatuur of luchtstromen, door de feromoonsporen dienovereenkomstig aan te passen.

Het gebruik van dergelijke systemen heeft belangrijke implicaties voor de manier waarop zwermrobots in de toekomst kunnen worden ingezet in diverse toepassingen, van zoek- en reddingsoperaties tot industriële assemblageprocessen. De mogelijkheid om gedetailleerde virtuele omgevingen te creëren en robots met elkaar te laten communiceren via kunstmatige feromonen maakt het mogelijk om complexe taken op een efficiënte en gecoördineerde manier uit te voeren.

De implementatie van kunstmatige feromooncommunicatie gaat echter niet zonder uitdagingen. Het vergt geavanceerde technologieën voor het nauwkeurig volgen van robotposities en het genereren van real-time updates van feromoonsporen. Dit vereist krachtige trackingsystemen en robuuste algoritmes die in staat zijn om de dynamiek van de omgeving correct te simuleren. De interactie tussen robots kan ook leiden tot onvoorziene complicaties, zoals interferentie of conflicten tussen verschillende feromoonsporen, die de efficiëntie van de zwerm kunnen verminderen.

Welke verschillende soorten zwermrobotplatformen zijn er en welke toepassingen hebben ze?

De recente vooruitgangen in robotica hebben geleid tot de ontwikkeling van diverse zwermrobotplatformen die worden gebruikt in zowel onderzoek als educatie. Deze platformen omvatten onder andere onbemande voertuigen zoals UGV’s (Unmanned Ground Vehicles), UAV’s (Unmanned Aerial Vehicles), USV’s (Unmanned Surface Vehicles) en UUV’s (Unmanned Underwater Vehicles). Hoewel er veel geavanceerdere en waarschijnlijk gespecialiseerde robotplatformen bestaan, ligt de nadruk hier op de platformen die specifiek zijn ontwikkeld voor zwermrobottoepassingen, met als doel onderzoek en onderwijs te ondersteunen.

Een van de bekendste zwermrobotsystemen is de Kilobot, die een diameter heeft van slechts 33 mm. Kilobots gebruiken vibratiemotoren voor beweging en communiceren via infraroodlicht dat van de grond reflecteert. Dit platform heeft vooral bekendheid verworven door zijn toepassing in zelfassemblage, waarbij tot wel 1.024 Kilobots verschillende vormen kunnen aannemen. De Kilobot is zowel open-source beschikbaar als commercieel te verkrijgen. Daarnaast is er het Jasmine-platform, dat is ontworpen voor grootschalige zwermrobotexperimenten, waarbij elke robot is uitgerust met een reeks sensoren zoals aanraking, nabijheid, afstand en kleur. De platforms Alice en AMiR volgen een vergelijkbaar pad met een focus op grootschalige zwermen, waarbij sensoren zoals lineaire camera's de basisfunctionaliteiten uitbreiden.

Andere platforms, zoals R-One, gebruiken geavanceerdere technologieën zoals camerasystemen voor precisielocatie en server-gebaseerde software die alle robots verbindt. De Elisa-3, een ander veelgebruikte zwermrobot, biedt een scala aan sensoren zoals IR-sensoren, een drievoudige versnellingsmeter en een verscheidenheid aan grondsensoren. Dit platform heeft bovendien de mogelijkheid om zichzelf op te laden via een laadstation. Net als andere platforms maakt de communicatie tussen de robots gebruik van zowel infrarood als radiofrequenties.

Platforms zoals de e-puck, en de opvolger e-puck2, zijn speciaal ontworpen voor onderwijs en onderzoek. Dit platform vereenvoudigt het programmeren en de controle van robotgedrag door gebruik te maken van diverse sensoren, zoals IR-proximity sensoren, een CMOS-camera en een microfoon. Het is zowel open-source beschikbaar als commercieel verkrijgbaar. De Xpuck, een uitbreiding van de e-puck, biedt grotere verwerkingskracht en kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor beeldverwerking door middel van trackingtechnieken zoals ArUco-markers.

Er zijn ook kleinere, educatieve robots zoals de Thymio II, die zijn ontworpen om de basisprincipes van robotica en programmeren te begrijpen. Dit platform maakt gebruik van sensoren zoals temperatuur-, IR-afstand-, versnellingsmeters en microfoons en biedt zowel visuele als tekstgebaseerde programmeermogelijkheden. Dit platform is open-source beschikbaar en commercieel verkrijgbaar. Pheeno is een ander open-source platform dat specifiek gericht is op swarm-robotica voor onderzoeks- en onderwijstoepassingen. Het platform kan op maat worden aangepast door middel van aangepaste modules, en het maakt gebruik van IR-sensoren om interactie met de omgeving mogelijk te maken.

De Spiderino is een zesbenige robot die open-source beschikbaar is en is ontwikkeld voor toepassingen met spinnachtige locomotie. Het basisontwerp is een hexpod-speelgoed dat is uitgebreid met een PCB die een Arduino-microcontroller en WLAN-module bevat, evenals diverse reflecterende IR-sensoren. In het I-Swarm-project is het doel geweest om micro-robots te ontwikkelen die een zwerm vormen. Deze robots zijn slechts 3 × 3 × 3 mm groot, worden door zonne-energie aangedreven en communiceren via IR-transceivers.

Endtext