06/01/2023
Door Ad Spijkers
Hoe mieren en robots een ontsnapping uit een gevangenis voor elkaar krijgen zonder plan of planner.
Individuele mieren zijn relatief eenvoudige wezens. Toch kan een mierenkolonie complexe taken uitvoeren, zoals ingewikkeld bouwen, foerageren en zich verdedigen. Onderzoekers van Harvard University in Cambridge (Massachusetts) hebben zich laten inspireren door mieren om een team van relatief eenvoudige robots te ontwerpen die gezamenlijk complexe taken kunnen uitvoeren met slechts een paar basisparameters.
Het project ging verder met een blijvende interesse in het begrijpen van de collectieve dynamiek van sociale insecten zoals termieten en bijen. Daarbij werd vooral gekeken hoe deze insecten de omgeving kunnen manipuleren om complexe functionele architecturen te creëren.
Ontsnappende mieren
Het onderzoeksteam begon met het bestuderen hoe zwarte houtmieren (Camponotus pennsylvanicus) samenwerken om zich uit een zachte afgesloten holte te graven en te ontsnappen. In het begin bewogen ze willekeurig in de holte rond, communicerend via hun antennes voordat ze begonnen samen te werken om uit de kraal te ontsnappen. Mieren communiceren via feromoonsignalen met de omgeving en andere mieren. De onderzoekers merkten op dat de mieren zich spontaan verzamelden rond gebieden waar ze vaker met elkaar omgingen. Zodra een paar mieren een tunnel begonnen te graven uit de holte sloten anderen zich snel aan.
Uit deze observaties identificeerden de onderzoekers twee relevante parameters om de opgravingstaak van de mieren te begrijpen: de kracht van collectieve samenwerking en de snelheid van opgraven. Numerieke simulaties van wiskundige modellen die deze parameters coderen, toonden aan dat de mieren alleen met succes kunnen graven als ze voldoende sterk met elkaar samenwerken en tegelijkertijd efficiënt graven.
RAnts
Gedreven door dit begrip en voortbouwend op de modellen, bouwden de onderzoekers robotmieren, bijgenaamd RAnts, om te zien of ze konden samenwerken om aan een soortgelijke afgesloten ruimte te ontsnappen. In plaats van chemische feromonen gebruikten de RAnts 'fotormonen', lichtvelden die worden achtergelaten door de zwervende RAnts die feromoonvelden of antennes nabootsen.
De RAnts werden alleen geprogrammeerd via eenvoudige lokale regels:
- om de gradiënt van het fotoromoonveld te volgen
- andere robots te vermijden waar de fotoromoondichtheid hoog was
- obstakels op te pikken waar de fotoromoondichtheid hoog was en ze te laten vallen waar de fotoromoondichtheid laag was.
Door deze drie regels konden de RAnts snel aan hun opsluiting ontsnappen. Net zo belangrijk was, dat de onderzoekers gedragsgebieden konden verkennen die moeilijk te detecteren waren met echte mieren.
Eenvoudige regels
De onderzoekers hebben laten zien hoe de coöperatieve voltooiing van taken kan voortvloeien uit eenvoudige regels. Ook bewezen ze dat soortgelijke gedragsregels kunnen worden toegepast om andere complexe problemen op te lossen, zoals constructie, opsporing, redding en verdediging. Deze aanpak is flexibel en robuust voor fouten in detectie en controle. Hij kan worden opgeschaald en toegepast op teams van tientallen of honderden robots die gebruik maken van een reeks verschillende soorten communicatievelden. De aanpak is ook veerkrachtiger dan andere benaderingen van gezamenlijke probleemoplossing. Zelfs als een paar individuele roboteenheden falen, kan de rest van het team de taak voltooien.
Robots die met deze eenvoudige parameters zijn geprogrammeerd, kunnen worden gebruikt voor constructie, zoek- en reddingsacties en verkenning. De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: PxHere, Arian Suresh