Ученые строят кибермуравейник

Самая большая в России группировка мобильных мини-роботов, насчитывающая более 20 отличающихся друг от друга особей, создана в Национальном исследовательском центре (НИЦ) «Курчатовский институт». Ученые и инженеры учат роботов действовать сообща, как муравьи в муравейнике, — кто-то занимается разведкой территорий, кто-то добывает ресурсы. Есть среди мини-роботов и свой альфа-самец, которого «механические муравьи» выбирают сами. Программисты испытывают работу таких коллективов при разных характерах лидеров — делая их то холериками, то флегматиками. Эксперимент проходит на специальном полигоне — роботов учат сообща выживать в лесу.

Лаборатория робототехники — одна из самых молодых в Курчатовском комплексе нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных (НБИКС) технологий. Основной костяк лаборатории — выпускники МФТИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Большинству работников лаборатории еще не исполнилось 30 лет. Здесь сообща трудятся когнитологи, нейробиологи, этологи, инженеры. Все они работают над решением проблемы групповой робототехники, пытаясь научить разрозненных роботов работать как один коллектив.

— Групповая робототехника крайне перспективна, потому что она объединяет множество научно-технологических направлений: человеко-машинные интерфейсы, принципы интеллектуального управления и, собственно, задачи группового управления. Суть наших исследований состоит в том, чтобы перенести на технические устройства модели социального поведения, то есть фактически создать социум роботов, — рассказал «Известиям» руководитель отделения нейрокогнитивных наук и интеллектуальных систем Курчатовского НБИКС-центра Валерий Карпов.

Социум роботов можно использовать для решения самых разных задач — например, охраны, мониторинга, патрулирования больших территорий. Более глобальная задача — территориальный гомеостаз, когда роботы должны поддерживать равновесие на территории на основе саморегуляции. Сюда входит и автономность, и охрана территории, и ее преобразование. Поэтому для ученых очень важно определить механизмы управления  социумом роботов, заставить их решать задачи, поставленные человеком.

— Мы умеем управлять отдельным роботом, или индивидуумом, но определение точек воздействия на социум — это уже принципиально иная, более сложная задача, — пояснил Валерий Карпов.

Одна из особенностей управления группой роботов — невозможность математически описать все условия ее функционирования, заранее создать все алгоритмы и механизмы взаимодействия устройств друг с другом. В этом деле исследователи могут положиться только на самоорганизацию группы — механизмы социального поведения, которые ученые заимствуют у природы.

— Мы активно работаем с этологами, конкретнее, с мирмекологами — учеными, изучающими муравьев. Они разбираются в том, как устроено муравьиное сообщество, в особенностях их поведения. Муравьи — очень удобный, на наш взгляд, объект для изучения и подражания с точки зрения создания управляемого социума роботов, — рассказал Валерий Карпов.

Ученые используют в групповой робототехнике самые важные качества самоорганизованных природных сообществ. Во-первых, в группе обязательно должен выявиться лидер. Во-вторых, роботы должны постоянно обучаться, причем не только на своих ошибках, но и наблюдая за окружающим миром и, что самое сложное, — за поведением своих «сородичей». В-третьих, роботов необходимо наделить подражательным поведением, которое свойственно «социальным» животным, а также элементами языкового общения.

Одно из направлений, которым занимается лаборатория в последнее время, связано с повышением технической автономности устройства в естественной природе. Речь идет о том, чтобы робот мог продолжительное время функционировать вдали от источников энергопитания, например, в лесу или в степи. Роботов учат выживать сообща.

— Например, очевидно, что кто-то в группе роботов должен заниматься разведкой территории, кто-то переносить грузы, найденные материалы или биомассу тому, кто будет их перерабатывать. В результате мы получим сложную самоорганизованную группу. Технически реализовать систему управления ею — крайне тяжелая задача. И мы пытаемся воспроизвести в этой группе принципы социальной организации, когда один подражает поведению другого, например, при переноске груза. Кто-то становится лидером, кто-то навигатором, кто-то определяет задачи. А это и есть элементы социального поведения. В конце концов и муравьи социализировались именно для выживания, — рассказал Валерий Карпов.

Изучая социум роботов, ученые пришли к выводу: чтобы они переключились с одной задачи на другую, в процессе управления необходимо воздействовать на среду обитания. Как это осуществить — пока вопрос, на который ищут ответ сотрудники лаборатории робототехники. Изменения среды обитания тесно связаны с поведенческой моделью, для которой, в свою очередь, большое значение имеет эмоциональный уровень роботов.

— У особи должен быть свой характер, с точки зрения психологии поведения. Мы провели цикл исследований по этой теме. Наш подопытный робот обладал ярко выраженными особенностями поведения — от холерических до флегматических. С помощью специального регулятора мы превращали робота-холерика, например, в робота-сангвиника и наблюдали за тем, как он решает поставленные задачи в разных условиях. Это определяет с технической точки зрения эффективность функционирования роботов в той или иной среде. Если, например, нецелесообразно отвлекаться на внешние факторы и надо любой ценой выполнить задачу, то, скорее всего, в этой среде успешнее будет действовать робот-флегматик. В сложной, динамически изменяющейся среде, где непременно надо реагировать на возникающие возбуждения, скорее всего, более вольготно будет себя чувствовать робот-холерик, — рассказал Валерий Карпов.

Инженер-исследователь лаборатории Виталий Воробьев считает наличие специального природного полигона очень важной особенностью работ, поскольку роботы действуют в естественном для человека мире.

— Это очень важно для них и для нас. Потому что на полигоне роботы решают реальные задачи, а мы — люди — проводим реальные эксперименты, а не просто моделируем ситуации в виртуальной среде, — сказал он.

Испытания в природной среде ведутся на испытательном полигоне, который расположен рядом с лабораторией. Здесь ученый разрабатывает алгоритм выбора лидера и алгоритм формирования групп роботов.