Beanbag Robotics

Diese Seite handelt von meinem Projekt, welches ich im Rahmen eines Forschungsstipendiums an der Cornell University im Jahre 2007 durchgeführt habe. Es handelt von minimalistisch designten Robotern, welche nicht einmal fähig sind zu lenken, als Schwarm aber volle Navigationsfähigkeit erlangen.

In den letzten Jahren hat das wachsende Forschungsinteresse an Schwarmintelligenz innerhalb vieler Experimente eine Vielfalt an Verhaltensweisen von Roboterschwärmen oder auch simulierten Schwärmen hervorgebracht. In den meisten Experimenten ist zu beobachten, dass bereits die individuellen Schwärmer umfassende Fortbewegungsfertigkeiten besitzen. Als Beispiele angeführt seien die Kontrolle von Vorwärts- und Rückwärtsbewegung oder auch die Kontrolle der eigenen Orientierung.

Solche Ansprüche an die Fertigkeiten eines einzelnen Schwärmers beeinflussen sowohl dessen Größe, als auch dessen Kosten nachhaltig – und limitieren damit automatisch die Anzahl der Schwärmer.

Mit dieser Arbeit soll gezeigt werden, dass komplexes Schwarmverhalten bereits durch Schwärmer erzeugt werden kann, die signifikant einfacher gestaltet sind und wesentlich weniger kontrollierbare Freiheitsgrade bezüglich ihrer Fortbewegung besitzen. Während die oben erwähnten „traditionellen“ Schwärmer lenken können, sowie der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung mächtig sind, verwenden wir

Schwärmer, welche nur die Geschwindigkeit einer verrauschten Vorwärtsbewegung regulieren können – ein Verhalten, welches in der Robotik durch einfache Vibration realisierbar ist. Suchen die Schwärmer z.B. eine Lichtquelle, so können sie zwar im richtigen Moment Gas geben, verschwinden aber mit der Zeit dennoch in der potentiell unendlichen Umwelt (zufällige Schwärmertrajektorien finden sich in nebenstehender Abbildung – Gelb ist die Lichtquelle, Blau der Startpunkt der Schwärmer).

Die Interaktion solcher Schwärmer in einer passiven Membran führt (Bild unten) im Rahmen einer künstlichen Evolution zu einer Agilität des gesamten Schwarms, welche auf der individuellen Ebene nicht erreichbar ist. In dieser Arbeit wird also die in anderen Forschungsarbeiten stillschweigend vorausgesetzte Fähigkeit zu navigieren als qualitativ neue Eigenschaft verstanden, die erst im Kollektiv entsteht.

Beanbag Roboter

Als Experimente wurden exemplarisch das Hindernisumgehen und anschließendes Erreichen einer Lichtquelle, sowie die Futtersuche mit anschließendem Abliefern des Futters beim Nest gewählt.

Diese Arbeit trägt sowohl zu den Forschungsgebieten der Robotik als auch der Schwarmintelligenz bei. Zur Robotik, indem der gesamte Schwarm als Robotiksystem aufgefasst und so ein Paradigma zum Roboterbau präsentiert wird, welches hochredundant und skalierbar ist und seine Form nach Belieben verändern, sich also ähnlich einer Flüssigkeit verhalten kann (Abbildung rechts). Zur Schwarmintelligenz, indem demonstriert wird, durch welch simple Bausteine man effiziente Navigation als Verhalten evolvieren kann, welches einzelnen Schwärmern nicht möglich ist, sondern erst als kollektives Verhalten.