群ロボット

群ロボット工学とは、中央制御なしで独立したロボットシステムを設計する方法を研究する学問である。ロボット群の出現する群集行動は、個々のロボットと環境との相互作用によって生み出される。^{[ 1 ]}このアイデアは、人工群知能の分野だけでなく、昆虫、アリ、その他群集行動が見られる自然界の分野の研究からも生まれた。^{[ 2 ]}

比較的単純な個々のルールから、複雑な群集行動が多数生み出される。重要な要素は、グループのメンバー間のコミュニケーションであり、これにより継続的なフィードバックシステムが構築される。群集行動には、個々のメンバーが互いに協力しながら絶えず変化していくこと、そしてグループ全体の行動が伴う。

群ロボットシステムの設計は、耐障害性、拡張性、柔軟性を促進する群知能の原理に基づいています。^{[ 1 ]}一般的な分散型ロボットシステムとは異なり、群ロボットは多数のロボットを重視します。群知能の原理にはさまざまな定式化がありますが、広く認識されているものには以下が含まれます。

1. ロボットは自律的である。
2. ロボットは周囲の環境と相互作用し、環境を変化させるためのフィードバックを与えることができる。
3. ロボットは、無線周波数や赤外線などの無線伝送システムといった、局所的な知覚および通信能力を備えている。^{[ 3 ]}
4. ロボットは、集中型の群制御やグローバルな知識を活用しない。
5. ロボットは互いに協力して与えられたタスクを達成する。^{[ 4 ]}

小型化は群ロボット工学においても重要な要素であり、数千個の小型ロボットの効果により、個々のレベルでの相互作用の数を増やすことで群知能アプローチの効果を最大化し、群レベルで意味のある行動を実現することができる。^{[ 5 ]}

個々のロボットと比較して、群れは与えられた任務をサブタスクに分解することが一般的です。^{[ 6 ]}群れは部分的な故障に対してより堅牢であり、さまざまな任務に関してより柔軟です。^{[ 7 ]}

The phrase "swarm robotics" was reported to have first appeared in 1991, according to Google Scholar, but research regarding swarm robotics began to grow in the early 2000s. The initial goal of studying swarm robotics was to test whether the concept of stigmergy could be used as a method for robots to indirectly communicate and coordinate with each other.^[5]

One of the first international projects regarding swarm robotics was the SWARM-BOTS project funded by the European Commission between 2001 and 2005, in which a swarm of up to 20 of robots capable of independently physically connect to each other to form a cooperating system were used to study swarm behaviors such as collective transport, area coverage, and searching for objects. The result was demonstration of self-organized teams of robots that cooperate to solve a complex task, with the robots in the swarm taking different roles over time. This work was then expanded upon through the Swarmanoid project (2006–2010), which extended the ideas and algorithms developed in Swarm-bots to heterogeneous robot swarms composed of three types of robots—flying, climbing, and ground-based—that collaborated to carry out a search and retrieval task.^[5]

There are many potential applications for swarm robotics.^[8] They include tasks that demand miniaturization (nanorobotics, microbotics), like distributed sensing tasks in micromachinery or the human body. A promising use of swarm robotics is in search and rescue missions.^[9] Swarms of robots of different sizes could be sent to places that rescue-workers cannot reach safely, to explore the unknown environment and solve complex mazes via onboard sensors.^[9] Swarm robotics can also be suited to tasks that demand cheap designs, for instance mining or agricultural shepherding tasks.^[10]

Drone swarms

ドローン群は、ターゲットの探索、ドローンの展示、および配送に使用されます。ドローンの展示では、通常、夜間に複数のライト付きドローンを使用して芸術的な展示や広告を行います。配送ドローン群は、一度に複数の荷物を1つの目的地に運ぶことができ、単一のドローンのペイロードとバッテリーの制限を克服できます。^{[ 11 ]}ドローン群は、抗力による全体的なエネルギー消費を削減するために、さまざまな飛行フォーメーションを実行する場合があります。 ^{[ 12 ]}

ドローン群は、人的要因や群のオペレーターに関連する追加の制御上の問題を引き起こす可能性もあります。その例としては、個々のドローン間で注意を切り替える必要があるため、複数のドローンとやり取りする際に高い認知負荷と複雑さが生じることが挙げられます。^{[ 13 ] [ 14 ]}オペレーターと群の間の通信も重要な側面です。^{[ 15 ]}

小型の群れ

もう一つの大きな応用分野は、マイクロ航空機の群れを使って解決できる可能性があり、これも今日広く研究されています。実験室環境で精密なモーションキャプチャシステムを使用して飛行ロボットの群れを研究した先駆的な研究^{[ 18 ]}と比較すると、 Shooting Starなどの現在のシステムは、屋外環境で数百のマイクロ航空機のチームをGNSSシステム（GPSなど）を使用して制御したり^{[ 19 ]} 、GPSが利用できない場所ではオンボードの測位システムを使用して安定化させたりすることができます^{[ 20 ]}。^{[ 21 ] [ 22 ]マイクロ航空機の群れは、自律監視[ 23 ]} 、煙の追跡^{[ 24 ]} 、コンパクトな密集隊形での偵察など のタスクですでにテストされています。^{[ 25 ]} 無人地上車両および無人航空機の協調群に関する多数の研究が行われており、協調環境監視、^{[ 26 ]}同時位置特定とマッピング、^{[ 27 ]}護送隊の保護、^{[ 28 ]}および移動目標の位置特定と追跡をターゲットとしたアプリケーションが行われている。^{[ 29 ]}

音響群

2023年、ワシントン大学とマイクロソフトの研究者は、形状を変えるスマートスピーカーを作る小型ロボットの音響群を実証しました。^{[ 30 ]}これらは、部屋の特定の領域からの音に焦点を当てたり、音を消したりするために音響シーンを操作するのに使用できます。^{[ 31 ]} ここでは、小型ロボットがカメラを使用せずに音信号を使用して互いに協力し、センチメートルレベルの精度で協調してナビゲートします。これらの群デバイスは表面に広がり、分散型で再構成可能なワイヤレスマイクアレイを作成します。また、充電ステーションに戻って自動的に再充電することもできます。^{[ 32 ]}

キロボット

ほとんどの取り組みは比較的小規模な機械のグループに焦点を当ててきた。しかし、 2014年にハーバード大学は1,024台のロボットからなるKilobot群を実証した。これは現在までに最大規模である。^{[ 33 ]}

リボット

小型化のもう1つの例として、屋外群ロボット用に構築された低コストのロボットを含むLIBOTロボットシステム^{[ 34 ]}があります。GPSセンサーは建物内での通信が不十分なため、ロボットはWi-Fiを介して屋内で使用できるようにも設計されています。

コリアス

もう一つの試みは、英国リンカーン大学のコンピュータインテリジェンスラボで開発されたマイクロロボット（Colias）^{[ 35 ]}です。このマイクロロボットは4cmの円形シャーシをベースに構築されており、さまざまな群ロボットアプリケーションで使用できる低コストでオープンなプラットフォームです。 

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• 非従来型コンピューティング– 新しいまたは通常とは異なる方法によるコンピューティング 
• 無人航空機– 操縦士が搭乗していない航空機 

• Fully decentralized robotic swarm performing collective search and exploration – Applied Complexity Group and Motion, Energy Control Lab at SUTD
• Swarm-bots: Swarms of self-assembling artifacts – EU IST-FET project (2001–2005)
• Award-winning swarm-bot video at AAAI 2007