Från flockar av fåglar till fiskstim i havet, eller höga termithögar, många sociala grupper i naturen existerar tillsammans för att överleva och frodas. Detta samarbetsbeteende kan användas av ingenjörer som "bioinspiration" för att lösa praktiska mänskliga problem, och av datavetare som studerar svärmintelligens.

"Svärmrobotik" tog fart i början av 2000-talet, ett tidigt exempel är "s-bot" (förkortning för swarm-bot). Detta är en helt autonom robot som kan utföra grundläggande uppgifter inklusive navigering och grepp om föremål, och som kan självmontera till kedjor för att korsa springor eller dra tunga laster. På senare tid, "TERMES"-robotar har utvecklats som ett koncept inom konstruktion, och "CoCoRo"-projektet har utvecklat en undervattensrobotsvärm som fungerar som en fiskstim som utbyter information för att övervaka miljön. Än så länge, vi har precis börjat utforska de stora möjligheter som djurkollektiv och deras beteende kan erbjuda som inspiration till robotsvärmdesign.

Robotar som kan samarbeta i stort antal skulle kunna åstadkomma saker som skulle vara svåra eller till och med omöjliga för en enskild enhet. Efter en jordbävning, till exempel, en svärm av sök- och räddningsrobotar kunde snabbt utforska flera kollapsade byggnader på jakt efter tecken på liv. Hotad av en stor skogsbrand, en svärm av drönare kan hjälpa räddningstjänsten att spåra och förutsäga brandens spridning. Eller en svärm av flytande robotar ("Row-bots") kan knapra iväg på oceaniska sopor, drivs av plastätande bakterier.

Bioinspiration inom svärmrobotik börjar vanligtvis med sociala insekter – myror, bin och termiter – eftersom kolonimedlemmar är mycket släkt, vilket gynnar ett imponerande samarbete. Tre ytterligare egenskaper tilltalar forskare:robusthet, eftersom individer kan gå förlorade utan att påverka prestation; flexibilitet, eftersom sociala insektsarbetare kan svara på förändrade arbetsbehov; och skalbarhet, eftersom en kolonis decentraliserade organisation är hållbar med 100 arbetare eller 100, 000. Dessa egenskaper kan vara särskilt användbara för att utföra jobb som miljöövervakning, som kräver täckning av enorma, varierande och ibland farliga områden.

Socialt lärande

Förutom sociala insekter, andra arter och beteendefenomen i djurriket erbjuder inspiration till ingenjörer. Ett växande område för biologisk forskning finns inom djurkulturer, där djur deltar i socialt lärande för att fånga upp beteenden som de sannolikt inte kommer att förnya ensamma. Till exempel, valar och delfiner kan ha distinkta födosöksmetoder som går i arv genom generationerna. Detta inkluderar former av verktygsanvändning – delfiner har observerats bryta av marina svampar för att skydda sina näbbar när de rotar runt efter fisk, som en person kan lägga en handske över en hand.

Former av socialt lärande och konstgjorda robotkulturer, kanske använder former av artificiell intelligens, kan vara mycket kraftfulla för att anpassa robotar till sin miljö över tid. Till exempel, hjälprobotar för hemtjänst skulle kunna anpassa sig till mänskliga beteendeskillnader i olika samhällen och länder över tiden.

Robot (eller djur) kulturer, dock, beroende av inlärningsförmågor som är kostsamma att utveckla, kräver en större hjärna – eller, när det gäller robotar, en mer avancerad dator. Men värdet av "svärm"-metoden är att distribuera robotar som är enkla, billigt och engångsbruk. Svärmrobotik utnyttjar uppkomstens verklighet ("mer är annorlunda") för att skapa social komplexitet från individuell enkelhet. En mer grundläggande form av "lärande" om miljön ses i naturen – i känsliga utvecklingsprocesser – som inte kräver en stor hjärna.

"Fenotypisk plasticitet"

Vissa djur kan ändra beteendetyp, eller till och med utveckla olika former, former eller inre funktioner, inom samma art, trots att man har samma initiala "programmering". Detta är känt som "fenotypisk plasticitet" - där generna i en organism ger olika observerbara resultat beroende på miljöförhållanden. Sådan flexibilitet kan ses i de sociala insekterna, men ibland ännu mer dramatiskt hos andra djur.

De flesta spindlar är avgjort ensamma, men i ungefär 20 av 45, 000 spindelarter, individer bor i ett delat bo och fångar mat på en delad väv. Dessa sociala spindlar tjänar på att ha en blandning av "personlighets"-typer i sin grupp, till exempel modig och blyg.

Min forskning identifierade en flexibilitet i beteende där blyga spindlar skulle kliva in i en roll som lämnades av frånvarande djärva bokamrater. Detta är nödvändigt eftersom spindelkolonin behöver en balans av djärva individer för att uppmuntra kollektiv predation, och blygare att fokusera på underhåll av bo och föräldravård. Robotar skulle kunna programmeras med justerbart risktagande beteende, känslig för gruppsammansättning, med djärvare robotar som tar sig in i farliga miljöer medan de blygare vet att hålla tillbaka. Detta kan vara till stor hjälp för att kartlägga ett katastrofområde som Fukushima, inklusive dess farligaste delar, samtidigt som man undviker att för många robotar i svärmen skadas på en gång.

Förmågan att anpassa sig

Sockerrörspaddor introducerades i Australien på 1930-talet som skadedjursbekämpning, och har sedan dess själva blivit en invasiv art. I nya områden ses käpppaddor vara något sociala. En anledning till att de växer i antal är att de kan anpassa sig till ett brett temperaturområde, en form av fysiologisk plasticitet. Svärmar av robotar med förmågan att byta energiförbrukningsläge, beroende på miljöförhållanden såsom omgivningstemperatur, skulle kunna bli betydligt mer hållbara om vi vill att de ska fungera självständigt på lång sikt. Till exempel, om vi vill skicka iväg robotar för att kartlägga Mars kommer de att behöva klara temperaturer som kan svänga från -150°C vid polerna till 20°C vid ekvatorn.

Förutom beteendemässig och fysiologisk plasticitet, vissa organismer visar morfologisk (form) plasticitet. Till exempel, vissa bakterier ändrar sin form som svar på stress, blir långsträckta och därmed mer motståndskraftiga mot att "ätas upp" av andra organismer. Om svärmar av robotar kan kombineras på ett modulärt sätt och (åter)montera till mer lämpliga strukturer kan detta vara till stor hjälp i oförutsägbara miljöer. Till exempel, grupper av robotar kan samlas för säkerhets skull när vädret tar en utmanande vändning.

Oavsett om det är "kulturer" som utvecklats av djurgrupper som är beroende av inlärningsförmåga, eller den mer grundläggande förmågan att förändra "personlighet", inre funktion eller form, swarm robotics har fortfarande gott om körsträcka kvar när det kommer till att hämta inspiration från naturen. Vi kanske till och med vill blanda och matcha beteenden från olika arter, att skapa egna robot-"hybrider". Mänskligheten står inför utmaningar som sträcker sig från klimatförändringar som påverkar havsströmmar, till ett växande behov av livsmedelsproduktion, till rymdutforskning – och svärmrobotik kan spela en avgörande roll med rätt bioinspiration.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.