激发机器人群体新行为的群居动物

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从鸟群到海中的鱼群，再到高耸的白蚁丘，许多自然界的社群会由群体的形式存在以求生存和繁荣。工程师们可以将这种合作行为用作 “生物启发” 来解决实际的人类问题，计算机科学家则可以通过研究群体智能来研究这种合作行为。

Termes,由多种机器人共同构建3D结构

“群体机器人” 在 21 世纪初开始出现，其中一个早期例子是 “s-bot”（群体机器人swarm-bot的缩写）。这是一个完全自主的机器人，可以执行基本任务，包括导航和抓取物体，还可以自我组装成链条以跨越缝隙或拉动重物。前几年，“TERMES” 机器人作为建筑概念被开发出来，“CoCoRo” 项目则开发出了一个像鱼群一样的水下机器人群体，可以交换信息以监测环境。到目前为止，我们只是刚刚开始探索动物群体及其行为对机器人群体设计提供的广阔可能性。

CoCoRo项目

能够合作的大规模机器人群体可以实现单个实体难以甚至不可能实现的任务。例如，在地震后，一群搜救机器人可以快速探索多个倒塌的建筑物，寻找生命迹象。在大规模野火威胁下，一群无人机可以帮助应急服务跟踪和预测火势蔓延。或者一群漂浮的机器人（“Row-bots”）可以通过吃塑料的细菌来清理海洋垃圾带。

未来，由吃塑料的细菌提供动力的漂浮机器人可以解决海洋垃圾问题

群体机器人的生物启发通常从群居的昆虫开始，如蚂蚁、蜜蜂和白蚁，因为群体成员之间高度相关，这有利于令人惊叹的合作。研究人员通常对对三个进一步的特征很感兴趣，第一个是鲁棒性，因为个体的损失不会影响系统整体性能；第二个灵活性，因为群居昆虫中的工作者能够对不断变化的工作需求作出反应；第三个可扩展性，因为一个群体的分散组织可以在拥有 100 个或 100,000 个工者的情况下持续运作。这些特征在执行环境监测等需要覆盖广阔、多样性且有时危险区域的工作中可能特别有用。

社会学习

除了群居的昆虫，动物王国中的其他物种和行为现象也为工程师提供了启发。生物研究领域的一个增长领域是动物文化，动物通过社会学习来学习他们不太可能自主创新的行为。例如，鲸鱼和海豚可以有独特的觅食方法，这些方法通过世代相传。这包括各种形式的工具使用——据观察，海豚在四处寻找鱼时会折断海洋海绵以保护它们的喙，就像一个人可能会把手套戴在手上一样。

宽吻海豚玩海绵，有些已经学会了用它们来帮助它们捕鱼

社会学习和人工机器文化的形式，也许可以利用人工智能的形式，可以使机器人随着时间适应它们的环境这方面变得更加强大。例如，为家庭护理而设计的辅助机器人可以逐渐适应不同社区和国家的人类行为差异。

然而，机器人（或动物）文化依赖于昂贵的学习能力，需要发展更大的大脑，或者在机器人的情况下，需要更先进的计算机。但是，“群体” 方法的价值在于这些机器人的部署简单、廉价且可丢弃性。群体机器人技术利用出现现象（“整体大于部分之和”）的现实，通过个体的简单性创造出社会复杂性。在自然界中可以看到对环境的 “学习” 的一种更基本形式，即敏感的发展过程，这不需要大脑。

“表型可塑性”

一些物可以在相同物种中改变行为类型，甚至在形态、形状或部功能上发展出不同的形式，尽管初始 “编程” 相同。这被称为 “表型可塑性”（phenotypic plasticity），即有机体基因在不同环境条件下产生不同的可观察结果。这种灵活性在群居的昆虫中可以看到，但有时在其他动物中更加明显。

大多数蜘蛛都是孤居的，但在 45,000 个蜘蛛物种中的约 20 个物种中，个体生活在共享的巢穴，并在共享的网上捕食食物。这些群居蜘蛛受益于群体中存在不同 “个性” 类型的混合，例如大胆和胆怯。

我的研究发现，腼腆的蜘蛛会在大胆的同伴离开后承担其角色，表现出一种行为上的灵活性。这是必要的，因为蜘蛛群体需要既有大胆的个体来鼓励集体捕食，又有胆怯的个体来专注于筑巢维护和育儿。机器人可以被编程为具有可调节的冒险行为，对群体构成敏感，更勇敢的机器人进入危险环境，而较胆小的机器人则知道要退缩。这在绘制灾难区域的地图时可能非常有帮助，包括其最危险的部分，同时避免太多机器人同时受损。

适应能力

20 世纪 30 年代，甘蔗蟾蜍作为害虫控制被引入澳大利亚，而后成为一种入侵物种。在新区域，甘蔗蟾蜍被认为具有一定的社会性。它们数量增长的一个原因是它们能够适应广泛的温度范围，一种生理可塑性形式。如果我们希望让机器人群体能够自主地长时间运行，那么具有在环境条件（如环境温度）下切换功耗模式的能力的机器人可能会更加耐用。例如，如果我们想要将机器人发送到火星上进行绘图，那么它们将需要应对从极地的 - 150°C 到赤道的 20°C 的温度变化。

甘蔗蟾蜍可以适应温度变化

除了行为和生理的可塑性，一些生物还显示出形态（形状）可塑性。例如，一些细菌可以根据压力改变形状，变得更加细长，从而更能抵抗被其他生物 “吞噬”。如果机器人群能够以模块化的方式相互结合并（重新）组装成更合适的结构，那么在不可预测的环境中这将非常有帮助。例如，当天气变得具有挑战性时，机器人群体可以聚集在一起以确保安全。

无论是动物群体发展的 “文化” 还是更基本的改变 “个性”、内部功能或形状的能力，当涉及从自然界汲取灵感时，群体机器人仍然有很多可行性。甚至可以将不同物种的行为混合在一起，创造出新型的机器人 “混合体”。人类面临着从影响海洋洋流的气候变化到对食物生产的不断增长需求再到太空探索的挑战，只要有正确的生物启发，群体机器人可以起到决定性的作用。

the end

集群智能，聚合智慧

创造无限可能