Autonoma robotar utmärker sig i fabriker och andra konstgjorda utrymmen, men de kämpar med naturens slumpmässighet.

För att hjälpa dessa maskiner att övervinna ojämn terräng och andra hinder, University at Buffalo forskare har vänt sig till bävrar, termiter och andra djur som bygger strukturer som svar på enkla miljövisningar, i motsats till att följa förutbestämda planer.

"När en bäver bygger en damm, det följer inte en ritning. Istället, det reagerar på rörligt vatten. Den försöker stoppa vattnet från att rinna, säger Nils Napp, Ph.D., biträdande professor i datavetenskap och teknik vid UB:s Tekniska Högskola. "Vi utvecklar ett system för att autonoma robotar ska bete sig likadant. Roboten övervakar och modifierar kontinuerligt sin terräng för att göra den mer mobil."

Arbetet beskrivs i en studie som ska presenteras den här veckan vid konferensen Robots:Science and Systems. Arbetet kan få konsekvenser för sök- och räddningsinsatser, planetarisk utforskning av Mars rover-stil fordon och andra områden.

Allt handlar om matematik

Medan projektet involverar djur och robotar, dess huvudfokus är matematik:specifikt, utveckla nya algoritmer – de uppsättningar regler som självstyrande maskiner behöver för att förstå sin miljö och lösa problem.

Skapa algoritmer för en autonom robot i en kontrollerad miljö, såsom en bilfabrik, är relativt okomplicerat. Men det är mycket svårare att åstadkomma i naturen, där utrymmen är oförutsägbara och har mer komplexa mönster, säger Napp.

För att lösa problemet, han studerar stigmergi, ett biologiskt fenomen som har använts för att förklara allt från termiters och bävras beteende till Wikipedias popularitet.

Enligt stigmergy, de komplexa bon som termiter bygger är inte resultatet av väldefinierade planer eller djupgående kommunikation. Istället, det är en typ av indirekt samordning. Initialt, en termit kommer att deponera en feromon-spetsad kula av lera på en slumpmässig plats. Andra termiter, attraherad av feromonerna, är mer benägna att tappa sina mudderbollar på samma plats. Beteendet leder i slutändan till stora termitbon.

Forskare har jämfört detta beteende med Wikipedia och andra kollektiva projekt online. Till exempel, en användare skapar en sida i onlineuppslagsverket. En annan användare kommer att ändra den med ytterligare information. Processen fortsätter i det oändliga, med användare som bygger mer komplexa sidor.

Testar den autonoma rovern

Använda hyllan komponenter, Napp och hans elever utrustade ett mini-roverfordon med en kamera, anpassad programvara och en robotarm för att lyfta och deponera föremål.

De skapade sedan ojämn terräng – slumpmässigt placerade stenar, tegel och trasiga betongbitar – för att simulera en miljö efter en katastrof som en tornado eller jordbävning. Teamet placerar också handstora bönor i olika storlekar runt det simulerade katastrofområdet.

Forskare aktiverar sedan roboten, som använder algoritmerna Napp utvecklat för att kontinuerligt övervaka och skanna sin miljö. Den tar upp bönsäckar och sätter dem i hål och luckor mellan berget, tegel och betong. Så småningom bildar påsarna en ramp, som gör att roboten kan övervinna hindren och nå sin målplats, en platt plattform.

"I detta fall, det är som en bäver som använder närliggande material att bygga med. Roboten tar sina ledtrådar från sin omgivning, och den kommer att fortsätta modifiera sin miljö tills den har skapat en ramp, ", säger Napp. "Det betyder att den kan fixa misstag och reagera på störningar; till exempel irriterande forskare som förstör halvbyggda ramper, precis som bävrar som fixar läckor i sina dammar."

I 10 tester, roboten flyttade var som helst från 33 till 170 väskor, varje gång skapa en ramp som gjorde det möjligt för den att nå sin målplats.

"Precis som ett djur, roboten kan fungera helt själv, och reagera på och förändra sin omgivning för att passa dess behov, sa Napp.