Da stormi di uccelli a banchi di pesci nel mare, o torreggianti termitai, molti gruppi sociali in natura esistono insieme per sopravvivere e prosperare. Questo comportamento cooperativo può essere utilizzato dagli ingegneri come "bioispirazione" per risolvere problemi umani pratici, e da scienziati informatici che studiano l'intelligenza degli sciami.

La "robotica dello sciame" è decollata nei primi anni 2000, un primo esempio è "s-bot" (abbreviazione di swarm-bot). Questo è un robot completamente autonomo in grado di eseguire compiti di base tra cui la navigazione e la presa di oggetti, e che possono autoassemblarsi in catene per attraversare spazi vuoti o tirare carichi pesanti. Più recentemente, I robot "TERMES" sono stati sviluppati come concetto nella costruzione, e il progetto "CoCoRo" ha sviluppato uno sciame di robot subacquei che funziona come un banco di pesci che scambia informazioni per monitorare l'ambiente. Finora, abbiamo appena iniziato a esplorare le vaste possibilità che i collettivi di animali e il loro comportamento possono offrire come ispirazione per la progettazione di sciami di robot.

I robot che possono cooperare in gran numero potrebbero realizzare cose che sarebbero difficili o addirittura impossibili per una singola entità. A seguito di un terremoto, Per esempio, uno sciame di robot di ricerca e soccorso potrebbe esplorare rapidamente più edifici crollati alla ricerca di segni di vita. Minacciato da un grande incendio, uno sciame di droni potrebbe aiutare i servizi di emergenza a tracciare e prevedere la diffusione dell'incendio. Oppure uno sciame di robot galleggianti ("Row-bots") potrebbe rosicchiare le discariche oceaniche, alimentato da batteri che mangiano plastica.

La bioispirazione nella robotica degli sciami di solito inizia con insetti sociali:formiche, api e termiti - poiché i membri della colonia sono altamente imparentati, che favorisce una cooperazione impressionante. Tre ulteriori caratteristiche attraggono i ricercatori:robustezza, perché gli individui possono essere persi senza influire sulle prestazioni; flessibilità, perché gli operatori sociali degli insetti sono in grado di rispondere alle mutevoli esigenze lavorative; e scalabilità, perché l'organizzazione decentralizzata di una colonia è sostenibile con 100 lavoratori o 100, 000. Queste caratteristiche potrebbero essere particolarmente utili per svolgere lavori come il monitoraggio ambientale, che richiede una copertura di enormi, aree varie e talvolta pericolose.

Apprendimento sociale

Al di là degli insetti sociali, altre specie e fenomeni comportamentali nel regno animale offrono ispirazione agli ingegneri. Un'area in crescita della ricerca biologica è nelle colture animali, dove gli animali si impegnano nell'apprendimento sociale per acquisire comportamenti che difficilmente potranno innovare da soli. Per esempio, balene e delfini possono avere metodi di foraggiamento distintivi che vengono tramandati di generazione in generazione. Ciò include forme di utilizzo di strumenti:sono stati osservati delfini che staccano le spugne marine per proteggere i loro becchi mentre cercano i pesci, come una persona potrebbe mettere un guanto su una mano.

Forme di apprendimento sociale e culture robotiche artificiali, magari utilizzando forme di intelligenza artificiale, potrebbe essere molto potente nell'adattare i robot al loro ambiente nel tempo. Per esempio, i robot assistivi per l'assistenza domiciliare potrebbero adattarsi alle differenze comportamentali umane nelle diverse comunità e paesi nel tempo.

culture di robot (o animali), però, dipendono da capacità di apprendimento che sono costose da sviluppare, che richiedono un cervello più grande - o, nel caso dei robot, un computer più avanzato. Ma il valore dell'approccio "sciame" è quello di distribuire robot semplici, economico e usa e getta. La robotica dello sciame sfrutta la realtà dell'emergenza ("più è diverso") per creare complessità sociale dalla semplicità individuale. Una forma più fondamentale di "apprendimento" sull'ambiente è vista in natura - nei processi di sviluppo sensibili - che non richiedono un grande cervello.

"plasticità fenotipica"

Alcuni animali possono cambiare tipo di comportamento, o anche sviluppare forme diverse, forme o funzioni interne, all'interno della stessa specie, pur avendo la stessa "programmazione" iniziale. Questo è noto come "plasticità fenotipica" - dove i geni di un organismo producono risultati osservabili diversi a seconda delle condizioni ambientali. Tale flessibilità può essere vista negli insetti sociali, ma a volte anche più drammaticamente in altri animali.

La maggior parte dei ragni sono decisamente solitari, ma in circa 20 su 45, 000 specie di ragni, gli individui vivono in un nido condiviso e catturano cibo su una rete condivisa. Questi ragni sociali traggono vantaggio dall'avere una miscela di tipi di "personalità" nel loro gruppo, per esempio audace e timido.

La mia ricerca ha identificato una flessibilità nel comportamento in cui i timidi ragni sarebbero entrati in un ruolo lasciato libero da compagni di nido audaci assenti. Ciò è necessario perché la colonia di ragni ha bisogno di un equilibrio di individui audaci per incoraggiare la predazione collettiva, e quelli più timidi di concentrarsi sulla manutenzione del nido e sulla cura dei genitori. I robot potrebbero essere programmati con comportamenti di assunzione di rischio regolabili, sensibile alla composizione del gruppo, con robot più audaci che entrano in ambienti pericolosi mentre quelli più timidi sanno trattenersi. Questo potrebbe essere molto utile per mappare un'area disastrata come Fukushima, comprese le sue parti più pericolose, evitando che troppi robot nello sciame vengano danneggiati contemporaneamente.

La capacità di adattamento

I rospi della canna sono stati introdotti in Australia negli anni '30 come controllo dei parassiti, e da allora sono diventati essi stessi una specie invasiva. Nelle nuove aree i rospi della canna sono considerati in qualche modo socievoli. Uno dei motivi della loro crescita numerica è che sono in grado di adattarsi a un ampio intervallo di temperature, una forma di plasticità fisiologica. Sciami di robot con la capacità di cambiare modalità di consumo energetico, a seconda delle condizioni ambientali come la temperatura ambiente, potrebbero essere notevolmente più durevoli se vogliamo che funzionino autonomamente a lungo termine. Per esempio, se vogliamo inviare robot per mappare Marte, allora dovranno far fronte a temperature che possono oscillare da -150°C ai poli a 20°C all'equatore.

Oltre alla plasticità comportamentale e fisiologica, alcuni organismi mostrano plasticità morfologica (forma). Per esempio, alcuni batteri cambiano forma in risposta allo stress, diventando allungato e quindi più resistente all'essere "mangiato" da altri organismi. Se sciami di robot possono combinarsi insieme in modo modulare e (ri)assemblare in strutture più adatte, questo potrebbe essere molto utile in ambienti imprevedibili. Per esempio, gruppi di robot potrebbero aggregarsi insieme per la sicurezza quando il tempo prende una piega difficile.

Che si tratti delle "culture" sviluppate da gruppi animali che dipendono dalle capacità di apprendimento, o la capacità più fondamentale di cambiare "personalità", funzione o forma interna, La robotica dello sciame ha ancora molta strada da fare quando si tratta di trarre ispirazione dalla natura. Potremmo anche voler mescolare e abbinare comportamenti di specie diverse, per creare "ibridi" di robot nostri. L'umanità affronta sfide che vanno dal cambiamento climatico che colpisce le correnti oceaniche, ad un crescente bisogno di produzione alimentare, all'esplorazione dello spazio – e la robotica a sciame può giocare un ruolo decisivo se si dà la giusta bioispirazione.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.