توضح الخوارزميات الجديدة كيف يمكن عمل سرب من الروبوتات البسيطة للعمل معًا ككل
في مختبر معهد جورجيا للتكنولوجيا ، يقوم الفيزيائيون بتجربة الروبوتات التي تبدو وكأنها تم شراؤها من متجر "الكل مقابل دولار واحد". لا تستطيع الروبوتات التحرك في الفضاء أو التواصل مع بعضها البعض. في الأساس ، يلوحون بأيديهم الصغيرة ، مثل لفات الخنافس على ظهورهم.
ولكن إذا جمعت الكثير من هذه الأجهزة معًا ، يمكنك الحصول على شيء من لا شيء: فهي تدفع وتشق وتتشابك مع بعضها البعض. ونتيجة لذلك ، يبدأون في العمل ككل.
يدرس الباحثون كيفية التحكم في هذه الأنظمة حتى تعمل بطريقة مماثلة لسرب النحل أو مستعمرة النمل: كل فرد يتصرف على أساس نفس مجموعة القواعد ، لكن العديد من الأفراد مجتمعين معًا يمكن أن يظهروا سلوكًا معقدًا دون سيطرة مركزية.
"نهجنا هو ما يلي: لمعرفة ما هو أبسط نموذج حسابي ضروري لتحقيق هذه المهام المعقدة؟ تقول
دانا راندال ، أخصائية تكنولوجيا المعلومات في جورجيتك ، أحد قادة المشروع. "نسعى إلى الأناقة والبساطة."
راندول ، كمبرمج ، يقترب من المهمة من وجهة نظر الخوارزميات: ما هي أبسط مجموعة من التعليمات التي يمكن أن تعمل على أساسها الوحدات الفردية من السرب ، بناءً على البيانات الضئيلة التي يمكنهم جمعها ، سيؤدي حتمًا إلى السلوك المشترك المعقد الضروري للباحثين؟ في نوفمبر الماضي ،
نشر راندال وزملاؤه
خوارزمية للتأكد من أن سربًا مثاليًا من الجسيمات يمكن أن يتحرك بطريقة خاضعة للرقابة.
العمل مع مثل هذه الروبوتات ، والتي أطلق عليها العلماء "smarticles" [smarticles؛ ذكي - ذكي، جسيم - جسيم / تقريبا. ترجم.] - جزء من البحث في مجال إمكانية إنشاء وفائدة الروبوتات ذاتية التنظيم. وتشمل الأمثلة الأخرى مثل
الروبوتات ذات الحجم المنخفض التي يتم تطويرها في جامعة كولورادو ، وأسراب
الكيلوبوتات من جامعة هارفارد ، و
svarmanoidy من المختبر البلجيكي. في كثير من الحالات ، تكون الفكرة هي محاكاة ظاهرة طبيعية ، مثل حركة منظمة للغاية لمستعمرة النمل اللامركزية أو تجميع غير واعي للبرمجة الذاتية لجزيئات الحمض النووي.
قال
ميلفين جوتشي ، الباحث في جامعة هارفارد ، والذي يعمل في
مجال الروبوتات الجماعية: "نحن نعرف ما نريده من سرب كامل ، ولكن
لبرمجته ، عليك معرفة ما يجب على كل وكيل فعله بشكل منفصل". "الجزء الأصعب هو بين هذين المستويين."
دانا راندال ودان غولدمان في مختبر غولدماناحترس من القادة
دانيال جولدمان فيزيائي من جورجيتش يدير تجربة Smarticle. يهتم بشكل أساسي بفيزياء المواد الحبيبية النشطة التي يمكن أن تغير شكلها. من بين شرائح مؤتمره لحظة من فيلم الرجل العنكبوت 3 ، مما يدل على
ظهور ساندمان الخارق - حيث تتجمع حبيبات الرمل المتناثرة في جميع أنحاء الصحراء على شكل رجل. الهواتف الذكية هي طريقة Goldman لاختبار المواد الحبيبية النشطة في المختبر.
"إنهم يعطوننا الفرصة لاستخدام الهندسة للتحكم في خصائص المواد. قال غولدمان: "إذا قمت بإلغاء تركيز عينيك ، يمكنك أن تتخيل أن هذه المجموعة من الهواتف الذكية هي مادة حقيقية".
تحتوي Smarticles على أطراف قصيرة يمكنها التأرجح ذهابًا وإيابًا. يتفاعلون مع الضوء والصوت بترددات مختلفة. يمكن برمجتها لتغيير سرعة التلويح بالأطراف استجابة لأفعال الهواتف الذكية الأخرى على مقربة منها.
يمكن صنع الهواتف الذكية لأداء العديد من الإجراءات: لإنشاء (كومة) ، وتوسيع (توزيع) والتحرك. يمكن أن تكون هذه المناورات بمثابة أساس لأداء وظائف أكثر تعقيدًا ، ولكن حتى مثل هذه المهام يصعب حلها تمامًا ، نظرًا لأن الهواتف الذكية لا تفهم كيف يتم وضعها فيما يتعلق بالمجموعة بأكملها.
من أجل فهم الاحتمالات والصعوبات المرتبطة ببرمجة السلوك المعقد ، الناشئة عن الأجزاء البسيطة ، يجدر أن تضع في اعتبارك ما هو معروف تمامًا لكل نحلة ذكية. ليس كثيرا. لا يستطيع أن يرى ، وذاكرته محدودة ، وكل ما يعرفه عن الهواتف الذكية الأخرى التي يجب عليه تنسيق الإجراءات معها ، يتعلم عندما يواجه جيرانه المباشرين.
قال جوشوا داماد ، طالب دراسات عليا في علوم الكمبيوتر من جامعة أريزونا يعمل في مشروع للهواتف الذكية: "تخيل رجلاً في حفلة موسيقى الروك وعيناه مغلقتان".
قد تكون إحدى الإستراتيجيات تعيين قائد لإدارة السرب - لكن هذا النهج ضعيف. إذا كان الزعيم يعاني ، فسوف يفشل السرب بأكمله. والآخر هو إعطاء كل روبوت مهمة فريدة في السرب ، ولكن على نطاق واسع هذا النهج غير عملي. قال
جيف داسيك ، الباحث في كلية هارفارد للهندسة في أولين والعضو السابق في مجموعة أبحاث أنظمة التنظيم الذاتي في هارفارد التي تعمل على أسراب
الروبوتات تحت الماء: "برمجة 1000 روبوت بشكل فردي تكاد تكون مستحيلة". "ولكن عندما يعمل كل عضو في المجموعة وفقًا لنفس القواعد ، لا يتغير الرمز الخاص بك ، بغض النظر عما إذا كان لديك 10 روبوت أو 1000 أو 10000".
خوارزمية السرب لها خاصيتان. أولاً ، يتم توزيعها ، أي أنها تعمل بشكل منفصل على كل من جزيئات النظام (حيث أن كل
نملة بدوية تؤدي أبسط مجموعة من الإجراءات اعتمادًا على المعلومات الواردة من البيئة). ثانياً ، يتضمن عنصر الصدفة. هذا يعني أنه ، على سبيل المثال ، إذا شعرت نملة بدوية بوجود خمسة نمل أخرى في الجوار ، ثم مع احتمال 20 ٪ أنها ستنتقل إلى اليسار ، و 80 ٪ إلى اليمين. تختلف الخوارزميات بشكل عشوائي عن الخوارزميات القطعية التي يتم فيها تحديد كل مرحلة بالكامل من قبل السابقة.
قد تبدو العشوائية غير ضرورية للخوارزميات - بعد كل شيء ، عند تنفيذ الإجراء ، عادة ما تريد تحقيق نتيجة معينة. لكن العشوائية لها فوائد أداء غير متوقعة ، مما يجعل الخوارزميات العشوائية مناسبة تمامًا للاستخدام في الأسراب.
ضمانات عشوائية
في عام 2015 ، ناقش جولدمان وراندال إمكانية العثور على قواعد يمكن من خلالها للهواتف الذكية العمل معًا ككل. أدرك راندال أن السلوك الذي أراده غولدمان لقيادة السرب كان مشابهًا جدًا لسلوك أنظمة الجسيمات المثالية التي تمت دراستها في علوم الكمبيوتر.
قال راندال: "وفكرت على الفور: أعرف بالضبط ما يجب القيام به".
بالنسبة لراندال ، كان سلوك الهواتف الذكية يشبه ظاهرة على غرار علماء الكمبيوتر في العديد من السياقات الأخرى. أحد الأمثلة الأكثر شهرة هو ظهور مناطق منفصلة. في أواخر الستينيات ، أراد الاقتصادي توماس شيللين أن يفهم كيف يحدث الفصل حسب المنطقة في غياب بعض القوى المركزية التي تقوم بفرز الأشخاص حسب لون البشرة. تخيل شخصًا افتراضيًا ينظر إلى جيرانه ويقرر خطوة استنادًا إلى عدد الجيران الذين يشبهونه تمامًا. عندما انتقل شخص ، نقله شيلينج إلى مكان عشوائي في المستوطنة ، حيث تكررت عملية الخوارزمية للمراقبة واتخاذ القرار. وجد شيلينج أنه وفقًا لقواعده ، يكاد يكون ظهور التفرقة بين السكان مضمونًا ، حتى إذا كان بعض الناس يفضلون العيش في مناطق متنوعة.
وليام سافوي ، طالب دراسات عليا في مختبر جولدمانأدرك راندال أن الهواتف الذكية في سربهم تشبه الأشخاص في نموذج Schelling. في كلتا الحالتين ، يجب على الوحدات الفردية اتخاذ قرارات دون معرفة موقفها من المخطط العالمي (يعرفون فقط ما يرونه في المنطقة المجاورة مباشرة). في نموذج Schelling ، يمكن اتخاذ القرارات مع عنصر الصدفة - إذا كان الجيران مختلفين عنك ، فهناك فرصة أن تتحرك ، وهناك فرصة أن تبقى.
في عام 2016 ، نشر راندول وزملاؤه
عملًا يصف الجسيمات المثالية التي تعيش على شبكة شعرية ويقرر ما إذا كان سيبقى أو يتحرك اعتمادًا على عدد الجسيمات التي لوحظت حولها. كانت القرارات المتخذة احتمالية - في كل مرة "تقوم" الجسيمات "بإلقاء" مكعب مرجح للاختيار. أظهر راندال وآخرون أنه إذا قمت بتعيين مكعب الوزن بشكل صحيح ، يمكنك ضمان حدوث سرب كثيف (تمامًا كما يمكن أن يثبت شيلينج أنه إذا تم التسامح مع سكان المنطقة للتنوع على المستوى الصحيح ، سيظهر الفصل بالتأكيد). من خلال تعديل الخوارزمية ، يمكنهم أيضًا ضمان أن يتحرك سرب من الجسيمات في حالة ممتدة.
تساعد عشوائية الخوارزمية الجسيمات في السرب على تجنب الوقوع في الأختام المحلية ، عندما تتراكم العديد من المجموعات الفرعية المعزولة معًا ، ولكن لا يتم تكثيف السرب ككل. تضمن العشوائية أنه عندما تظهر الأختام الصغيرة ، لا تزال بعض الوحدات تقرر الانتقال إلى مكان آخر ، وتستمر العملية حتى يتم الوصول إلى ختم عام. لتجنب الأختام المحلية ، هناك حاجة إلى القليل من العشوائية ؛ مطلوب أكثر بكثير للانتقال من حالة مضغوطة عالميًا إلى حالة موسعة.
إلى العالم الحقيقي
لإثبات أن الجسيمات في العالم النظري يمكن ، من خلال إجراء خوارزمية بسيطة ، تحقيق سلوك معين في سرب شيء واحد. لتنفيذ الخوارزمية رخيصة ، وعرضة للفشل ، والهواتف الذكية الحقيقية ، والنقر على الأطراف في صندوق - مختلف تمامًا.
قال غولدمان: "لقد توصل زملائنا النظريون إلى كيفية برمجة هذه الأشياء ، لكننا ما زلنا في بداية الرحلة ولا نستطيع أن نقول أن هذه المخططات تم نقلها مباشرة".
كانت إحدى المشاكل هي جعل الهواتف الذكية تتحرك معًا. في البداية ، عندما أحاط الباحثون الهواتف الذكية في مساحة محدودة ، ارتدت هذه المجموعة ببساطة عن طريق الخطأ. ولكن ذات مرة ، عندما لاحظ الفيزيائيون هذه الحركة الفوضوية ، ماتت البطارية في أحد الهواتف الذكية. لاحظ غولدمان وزملاؤه أن السرب بدأ فجأة في التحرك باتجاه وحدة ثابتة. أبلغ الباحثون عن هذا الاكتشاف غير المتوقع للمنظرين ، واستغلوا هذا التلميح. أدى العمل إلى إنشاء نسخة جديدة من الخوارزمية ، مما يسمح للسرب المثالي بالتحرك دائمًا في اتجاه معين.
شيئًا فشيئًا ، تقترب التجارب الجارية في الكمبيوتر والتجارب الفيزيائية. يأمل الباحثون في النهاية أن يثبتوا نظريًا أن الخوارزمية الأساسية ، التي يتم تنفيذها بطريقة شائعة في سرب كبير من الروبوتات الصغيرة الرخيصة ، مضمونة تؤدي إلى سلوك السرب المطلوب.
قال دايماد: "نود أن نحقق حالة لا نكتشف فيها ظاهرة عند نفاد البطارية". "نريد أن يكون هذا شيئًا من فئة الإنجاز المتعمد."