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Robótica de enjambre

Enjambre de microrobots Jasmine de código abierto recargándose Un equipo de robots iRobot Create en el Instituto Tecnológico de Georgia. La robótica de enjambre estudia cómo dis...

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Enjambre de microrobots Jasmine de código abierto recargándose
Un equipo de robots iRobot Create en el Instituto Tecnológico de Georgia.

La robótica de enjambre estudia cómo diseñar sistemas independientes de robots sin control centralizado. El comportamiento de enjambre que emerge en los enjambres robóticos se crea a través de las interacciones entre los robots individuales y el entorno. [ 1 ] Esta idea surgió en el campo de la inteligencia artificial de enjambre , así como en los estudios de insectos, hormigas y otros organismos naturales donde se observa el comportamiento de enjambre . [ 2 ]

Reglas individuales relativamente simples pueden generar un amplio conjunto de comportamientos complejos en grupo . Un componente clave es la comunicación entre los miembros del grupo, que crea un sistema de retroalimentación constante. El comportamiento en grupo implica un cambio continuo de los individuos en cooperación con otros, así como del comportamiento del grupo en su conjunto.

Atributos clave de los enjambres robóticos

El diseño de sistemas de robótica de enjambre se rige por los principios de la inteligencia de enjambre, que promueven la tolerancia a fallos, la escalabilidad y la flexibilidad. [ 1 ] A diferencia de los sistemas robóticos distribuidos en general, la robótica de enjambre se centra en un gran número de robots. Si bien existen diversas formulaciones de los principios de la inteligencia de enjambre, un conjunto ampliamente reconocido incluye:

  1. Los robots son autónomos.
  2. Los robots pueden interactuar con el entorno y proporcionar información para modificarlo.
  3. Los robots poseen capacidades locales de percepción y comunicación, como sistemas de transmisión inalámbrica , como radiofrecuencia o infrarrojos . [ 3 ]
  4. Los robots no se benefician del control centralizado de enjambres ni del conocimiento global.
  5. Los robots cooperan entre sí para realizar la tarea asignada. [ 4 ]

La miniaturización también es un factor clave en la robótica de enjambre, ya que el efecto de miles de pequeños robots puede maximizar el efecto del enfoque de inteligencia colectiva para lograr un comportamiento significativo a nivel de enjambre a través de un mayor número de interacciones a nivel individual. [ 5 ]

En comparación con los robots individuales, un enjambre puede comúnmente descomponer sus misiones asignadas en subtareas; [ 6 ] un enjambre es más robusto ante fallas parciales y es más flexible con respecto a diferentes misiones. [ 7 ]

Historia

Según Google Académico, la expresión "robótica de enjambre" apareció por primera vez en 1991, pero la investigación sobre este tema comenzó a desarrollarse a principios de la década de 2000. El objetivo inicial del estudio de la robótica de enjambre era comprobar si el concepto de estigmergia podía utilizarse como método para que los robots se comunicaran y coordinaran indirectamente entre sí. [ 5 ]

Uno de los primeros proyectos internacionales sobre robótica de enjambre fue el proyecto SWARM-BOTS, financiado por la Comisión Europea entre 2001 y 2005. En este proyecto, se utilizó un enjambre de hasta 20 robots capaces de conectarse físicamente entre sí de forma independiente para formar un sistema cooperativo, con el fin de estudiar comportamientos de enjambre como el transporte colectivo, la cobertura de áreas y la búsqueda de objetos. El resultado fue la demostración de equipos autoorganizados de robots que cooperan para resolver una tarea compleja, asumiendo los robots del enjambre diferentes roles a lo largo del tiempo. Este trabajo se amplió posteriormente mediante el proyecto Swarmanoid (2006-2010), que extendió las ideas y algoritmos desarrollados en Swarm-bots a enjambres de robots heterogéneos compuestos por tres tipos de robots —voladores, trepadores y terrestres— que colaboraban para llevar a cabo una tarea de búsqueda y recuperación. [ 5 ]

Aplicaciones

Existen muchas aplicaciones potenciales para la robótica de enjambre. [ 8 ] Estas incluyen tareas que requieren miniaturización ( nanorrobótica , microrrobótica ), como tareas de detección distribuida en micromáquinas o en el cuerpo humano. Un uso prometedor de la robótica de enjambre es en misiones de búsqueda y rescate . [ 9 ] Enjambres de robots de diferentes tamaños podrían enviarse a lugares a los que los rescatistas no pueden acceder de forma segura, para explorar el entorno desconocido y resolver laberintos complejos mediante sensores a bordo. [ 9 ] La robótica de enjambre también puede ser adecuada para tareas que requieren diseños económicos, por ejemplo, tareas de minería o pastoreo agrícola. [ 10 ]

Enjambres de drones

Un vuelo en enjambre de 100 drones conmemorando el centenario del movimiento de independencia de Corea por el Instituto Coreano de Investigación Aeroespacial.

Los enjambres de drones se utilizan en la búsqueda de objetivos, exhibiciones con drones y entregas. Una exhibición con drones suele emplear varios drones iluminados por la noche para una muestra artística o publicitaria. Un enjambre de drones de reparto puede transportar varios paquetes a un mismo destino a la vez y superar las limitaciones de carga útil y batería de un solo dron. [ 11 ] Un enjambre de drones puede adoptar diferentes formaciones de vuelo para reducir el consumo energético total debido a las fuerzas de arrastre. [ 12 ]

El enjambre de drones también puede introducir problemas de control adicionales relacionados con factores humanos y el operador del enjambre. Ejemplos de esto incluyen una alta demanda cognitiva y complejidad al interactuar con múltiples drones debido al cambio de atención entre diferentes drones individuales. [ 13 ] [ 14 ] La comunicación entre el operador y el enjambre también es un aspecto central. [ 15 ]

enjambres militares

De forma más controvertida, enjambres de robots militares pueden formar un ejército autónomo. Las fuerzas navales estadounidenses han probado un enjambre de embarcaciones autónomas capaces de dirigirse y realizar acciones ofensivas por sí mismas. Estas embarcaciones no están tripuladas y pueden equiparse con cualquier tipo de dispositivo para disuadir y destruir buques enemigos. [ 16 ]

Durante la guerra civil siria , las fuerzas rusas en la región informaron de ataques a su principal base aérea en el país por parte de enjambres de drones de ala fija cargados con explosivos. [ 17 ]

Enjambres en miniatura

Otro amplio conjunto de aplicaciones puede resolverse utilizando enjambres de microvehículos aéreos , que también se investigan ampliamente en la actualidad. En comparación con los estudios pioneros de enjambres de robots voladores que utilizan sistemas precisos de captura de movimiento en condiciones de laboratorio, [ 18 ] los sistemas actuales como Shooting Star pueden controlar equipos de cientos de microvehículos aéreos en entornos exteriores [ 19 ] utilizando sistemas GNSS (como GPS) o incluso estabilizarlos utilizando sistemas de localización a bordo [ 20 ] donde el GPS no está disponible. [ 21 ] [ 22 ] Los enjambres de microvehículos aéreos ya se han probado en tareas de vigilancia autónoma, [ 23 ] seguimiento de penachos, [ 24 ] y reconocimiento en una falange compacta. [ 25 ] Se han realizado numerosos trabajos sobre enjambres cooperativos de vehículos terrestres y aéreos no tripulados con aplicaciones objetivo de monitoreo cooperativo del entorno, [ 26 ] localización y mapeo simultáneos , [ 27 ] protección de convoyes, [ 28 ] y localización y seguimiento de objetivos en movimiento. [ 29 ]

Enjambres acústicos

En 2023, investigadores de la Universidad de Washington y Microsoft demostraron enjambres acústicos de pequeños robots que crean altavoces inteligentes con capacidad de cambiar de forma. [ 30 ] Estos pueden usarse para manipular escenas acústicas y enfocar o silenciar sonidos de una región específica de una habitación. [ 31 ] En este caso, pequeños robots cooperan entre sí mediante señales de sonido, sin cámaras, para navegar de forma cooperativa con una precisión centimétrica. Estos dispositivos en enjambre se extienden por una superficie para crear una matriz de micrófonos inalámbricos distribuida y reconfigurable. También regresan a la estación de carga donde se recargan automáticamente. [ 32 ]

Kilobot

La mayoría de los esfuerzos se han centrado en grupos relativamente pequeños de máquinas. Sin embargo, en 2014, Harvard demostró un enjambre Kilobot compuesto por 1024 robots individuales, el más grande hasta la fecha. [ 33 ]

LIBOT

Otro ejemplo de miniaturización es el sistema robótico LIBOT [ 34 ] , que consiste en un robot de bajo costo diseñado para robótica de enjambre en exteriores. Los robots también están preparados para su uso en interiores mediante Wi-Fi, ya que los sensores GPS ofrecen una comunicación deficiente dentro de los edificios.

Un enjambre de micro robots Colias de código abierto
Un enjambre de micro robots Colias de código abierto

Colias

Otro intento de este tipo es el microrobot (Colias), [ 35 ] construido en el Laboratorio de Inteligencia Computacional de la Universidad de Lincoln , Reino Unido. Este microrobot está construido sobre un  chasis circular de 4 cm y es una plataforma abierta y de bajo costo para su uso en diversas aplicaciones de robótica de enjambre.

Enjambres de fabricación

Además, se han logrado avances en la aplicación de enjambres autónomos en el campo de la fabricación, lo que se conoce como impresión 3D en enjambre . Esto resulta particularmente útil para la producción de grandes estructuras y componentes, donde la impresión 3D tradicional no puede utilizarse debido a las limitaciones de tamaño del hardware. La miniaturización y la movilización masiva permiten que el sistema de fabricación alcance la invariancia de escala , sin limitaciones en el volumen de construcción efectivo. Si bien se encuentra en su etapa inicial de desarrollo, la impresión 3D en enjambre está siendo comercializada actualmente por empresas emergentes. [ 36 ]

Véase también

Referencias

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  2. ↑ Pan, Honghao; Zahmatkesh, Mohsen; Rekabi-Bana, Fatemeh; Arvin, Farshad; Hu, Junyan (agosto de 2025). "T-STAR: Planificación de trayectorias de enjambre óptimas en tiempo para vehículos aéreos no tripulados de cuadricóptero". IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems . 26 (8): 12532– 12547. Bibcode : 2025ITITr..2612532P . doi : 10.1109/TITS.2025.3557783 .
  3. ↑ Kernbach, Serge, ed. (29 de mayo de 2013), "Arquitecturas y control de sistemas robóticos en red" , Manual de robótica colectiva (0.ª ed.), Jenny Stanford Publishing, págs. 105–128 , doi : 10.1201/b14908-6 , ISBN   978-0-429-06759-4, recuperado el 4 de diciembre de 2024
  4. ↑ Brambilla, Manuele; Ferrante, Eliseo; Birattari, Mauro; Dorigo, Marco (17 de enero de 2013). "Robótica de enjambre: una revisión desde la perspectiva de la ingeniería de enjambre" . Swarm Intelligence . 7 (1): 1– 41. doi : 10.1007/s11721-012-0075-2 . hdl : 2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/153305 . ISSN 1935-3812 . 
  5. 1 2 3 Dorigo, Marco; Theraulaz, Guy; Trianni, Vito (18 de junio de 2021). "Robótica de enjambre: pasado, presente y futuro [punto de vista]". Actas del IEEE . 109 (7): 1152– 1165. doi : 10.1109/JPROC.2021.3072740 . hdl : 2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/326716 . ISSN 0018-9219 . 
  6. ↑ Hu, Junyan; Bhowmick, Parijat; Lanzon, Alexander (10 de noviembre de 2020). "Estrategia de control de formación-contención distribuida de dos capas para sistemas de enjambre lineales: algoritmo y experimentos" . International Journal of Robust and Nonlinear Control . 30 (16): 6433– 6453. doi : 10.1002/rnc.5105 . ISSN 1049-8923 . 
  7. ↑ Kagan, Eugene, ed. (2020). Robots móviles autónomos y sistemas multi-robot: planificación de movimiento, comunicación y enjambre (1.ª ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-1-119-21286-7.
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  • Enjambre robótico totalmente descentralizado que realiza búsqueda y exploración colectiva – Grupo de Complejidad Aplicada y Laboratorio de Control de Energía y Movimiento en SUTD
  • Robots enjambre: Enjambres de artefactos autoensamblables – Proyecto IST-FET de la UE (2001–2005)
  • Vídeo premiado sobre un enjambre de robots en AAAI 2007.