A madarak röptét elemezve alkottak szuperhatékony drónrajt az ELTE kutatói

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

Az ELTE Biológiai Fizika Tanszékének kutatói rájöttek, hogy miként képesek a madárrajok felülkerekedni a csoportban való mozgás elvi nehézségein, és a természettől ellesett megoldással most minden eddiginél több drón gyors reakcióidejű, mégis harmonikus együttmozgását tudják koordinálni. 

Az eredményeikről szóló tanulmány a brit Királyi Tudományos Társaság Interface folyóiratának címlapsztorija volt a nyáron.

Csoportos mozgások, lokális kölcsönhatások

A csoportos mozgás egyik leglátványosabb előadóművészei a madárrajok. A napjainkban egyre hangsúlyosabb tudományág, a kollektív viselkedés kutatásának alapkérdése többek között jó ideje az, hogy az egyes madarak mozgásából milyen finom módokon alakul ki a hatalmas rajok tánca. A tudományterület egyik megalapítója Vicsek Tamás fizikus professzor, aki negyedszázada publikálta a ma már róla elnevezett modellt, és ezzel elsőként írta le matematikailag az élővilágban zajló csoportos mozgásokat.

„A csoportos mozgás jelensége sokrétű, sokféle élőlény produkálja, a legkülönbözőbb méretskálákon fordul elő, vagyis a statisztikus mechanikában szokásos szóhasználattal élve: univerzális. Ez az univerzalitás készteti a fizikusokat arra, hogy a mintázat létrejöttét általánosított matematikai formában, egyszerű modellek segítségével magyarázzák” – mondta a Qubitnek Vicsek, a Magyar Tudományos Akadémia rendes tagja, a biológiai fizika és a komplex alakzatok természetben történő kialakulásának kutatója. 

Vicsek professzor szerint a modellek egyik legfontosabb jellemzője, hogy a kölcsönhatások csak a szűk környezetben elérhető információkra szorítkoznak, azaz lokálisak, mégis az egész rendszerre kiterjedő, azaz globális viselkedéshez vezetnek. A nevét viselő modellben például elég minden egyednek körülnéznie és a tapasztalt átlagos mozgásirányba repülnie ahhoz, hogy az egész, akár tízezres raj összerendeződjön és közösen vonuljon. Az ilyen, úgynevezett ágensalapú modellek, amelyekben egyszerű szabályok írják elő az egyedi viselkedést, az elmúlt évtizedekben törtek előre a komplex rendszerek leírásában – mivel a számítási kapacitás növekedésével egyre nagyobb tömegben lehet az ágenseket egyesével szimulálni.

Az évek során a csoportos együttmozgásnak egyre több törvénye vált érthetővé. Vicsek 2009-ben nyert el ERC-pályázatot azzal a célkitűzéssel, hogy a csoportos mozgás modellezése által elért új eredményekre támaszkodva autonóm robotrajt fejlesszenek ki kutatócsoportjával.  Az Európai Unióban abban az időben elérhető legnagyobb tudományos forrás odaítélése mögött az állt, hogy azokra a számításokra, amiket egy madár elvégez a repüléséhez, az akkori elgondolás szerint a technika fejlődésével a robotok fedélzeti processzora is képes lesz – csak meg kell fejteni, hogyan kell használni ezt az erőforrást.

A kutatások első állomása tehát az élővilág megfigyelése volt. A GPS-es  helyzetmeghatározással röptetett galambok mozgásanalízisével kidolgozott metódus eredményét az alábbi videó demonstrálja:

Vicsek kutatócsoportja autonóm, rajban együtt mozgó drónok fejlesztésére is felhasználta az állatvilágtól tanultakat. Az ELTE Biológiai Fizika Tanszék és az MTA-ELTE Biológiai és Statisztikus Fizikai Kutatócsoport drónrajos kutatási eredményei még jóval a mai nyilvánvaló drónos éra előtt, 2014-ben járták be először a világot. A Vicsek által vezetett kutatócsapat készítette a világ első tíz egyedből álló kültéri önszerveződő kvadrokopter-flottáját. 

Evolúciós algoritmusok

A kutatók a csoportos drónvezérlés megalkotásához biológiai motivációjú algoritmusokat, majd azok optimalizációjához az evolúció elvét használták. Olyan drónokat fejlesztettek, amelyek nagy méretű rajokban egymással kommunikálva repülnek közös céljuk felé, csoportosan kerülve el az akadályokat, akárcsak a madarak. 

Vásárhelyi Gábor, az ELTE Biológiai Fizika Tanszékén működő robotikai labor vezetője a Qubitnek elmondta, hogy a vezérlést biztosító algoritmus az élőlények csoportos mozgását leíró modellek alapösszetevőit egészíti ki drónspecifikus mozgásjellemzőkkel és bizonyos fokú intelligens útvonaltervezéssel. A bonyolult algoritmus számos paraméterét az ELTE szuperszámítógépein futtatott evolúciós algoritmus segítségével optimalizálták a feladathoz, így jött létre a drónraj második, fejlettebb prototípusa, amiből 2018-ban a Science Robotics címlapsztorija kerekedett.

A flotta ugyanakkor egy további, feloldhatatlannak tűnő problémára hívta fel a figyelmet. Amikor harmincnál több drón próbált zárt térben együtt mozogni, a falaknál torlódás alakult ki, a mozgás veszélyessé vált.

„Gondoljunk bele: az első robot, ami a falnak repülne, próbál lassítani vagy elfordulni, de számára a domináns inger nem az elfordulás, hanem a csordaszellem szerinti továbbhaladás, hiszen a szomszédjai döntően – a falat nem látva – még egyenesen mennek. Ha az alapvető egyéni viselkedés igazodni akar az átlagsebességhez, akkor a csoport mozgási tehetetlensége óhatatlanul megnő. Ha a csoportméret kicsi, ez nem jelent nagy problémát, egy falhoz közeledve minden egyed nagyjából egyszerre érzékeli a falat, így közös fordulásuk senkit nem sodor veszélybe. Ha azonban a csoportméret nagy, az elsőknek vagy szembe kell menniük a csoport akaratával a forduláshoz vagy lassításhoz, vagy engedelmesen tovább kell haladniuk társaikkal. Magyarul választhatnak, hogy a társaiknak vagy inkább a falnak ütköznek” – magyarázta Vásárhelyi.

Mindez azon múlik tehát, hogy a csoportban lassan terjed a változás?

„Látszólag igen. De valójában mélyebb a dolog”– állítja a kutatócsoport doktorjelölt tagja, Balázs Boldizsár, aki a mostani eredményeket bemutató cikk első szerzője. „Vannak módszerek, amikkel úgy lehet hangolni a viselkedést, hogy az átlag helyett – pont fordítva – az attól való eltérést vegye át minden egyed. Így aztán a változás akadálytalanul végigfut a rajon. A baj csak az, hogy minden tekinthető változásnak. Akármilyen zavar történik a rendszer egy pontján, az mindenkihez elér. Márpedig zavarok mindig vannak: egy kis széllökés itt, egy sutább szárnycsapás amott. Egy ilyen túlérzékeny csapat egy métert sem képes megtenni, saját magába gabalyodva rángatózik egy helyben, és ha el is indul, csak csapong”. 

Stabil és reakciókész

A fizikusok ezt a problémát rokonították a statisztikus mechanika egyik alapösszefüggésével, a fluktuáció-disszipáció tétellel. Eszerint egy fizikai rendszer két fontos tulajdonsága – az, hogy magára hagyva állapotai mennyire ingadoznak, és az, hogy egy külső hatásra milyen intenzíven reagál – kölcsönösen meghatározzák egymást. 

Bizonyos élő rendszereket az evolúció rákényszerített, hogy valamiképpen megoldják, amire az élettelen anyag matematikailag bizonyíthatóan képtelen: egy madárraj stabil, ugyanakkor reakciókész is. Akár száz kilométereket vonulnak rendezetten, mégis, ha ragadozó tűnik fel, szinte egy entitásként illannak el egy szemrebbenés alatt.

A kutatók a legegyszerűbb elemi folyamatot keresték, amivel az élet élhet, hogy szívós legyen, de ne makacs; hogy úgy legyen rugalmas, hogy ne veszítse el a célt. Arra jutottak, hogy a kulcs az egyedek képessége arra, hogy megkülönböztessék, ráadásul helyesen különböztessék meg egymás pillanatnyi jelentőségét, és ehhez idomulva olyan ideiglenes hierarchiákat hozzanak létre, amelyet a jelentőséggel bírók vezetnek.

A szándéktulajdonítás matematikája 

Ennek több módja is lehet. Ha egy egyed mindenki számára fontos információhoz jut, azt aktív jelzéssel (vijjogás, szárnyrebegtetés) adhatja tudtára a többieknek, de az is lehet, hogy mozgásának hirtelen, ösztönszerű, a normálistól elütő változása a kulcsinger a többiek számára. A megfelelő szűrőkkel elválasztható, hogy az észlelt változást terjeszteni vagy elfojtani érdemes-e. Ezzel a madárraj összhangban, mégis gyors reakcióidővel repülhet.

Az az alapelv, hogy minden egyed szándékot tulajdonít a társak viselkedésének, az emberek között is elterjedt, valamint robotokra is átültethető. A közlekedésben például ilyen, a stabilitást és gyors reakcióidőt egyaránt szolgáló eszköz az index és féklámpák használata. De nemcsak a fizikai térben mozogva, hanem az emberi társas viselkedés ezernyi dimenziójában is megjelennek a hatékony összhanghoz szükséges megkülönböztető viselkedések. Ha úgy gondoljuk, jelentős, amit mondani szeretnénk, helyzettől függően felemeljük a hangunkat vagy nyakkendőt kötünk. De van beépített jelzésünk is, a lámpaláz, ami össze nem téveszthetően jelzi másoknak, hogy nekünk fontos, amit épp mondunk. Fontos lépcső, hogy a környezetünk ezután még eldönti, hogy számára is az-e.

Ugyanennek az elvnek, azaz az adaptív, információs hierarchián alapuló vezetésnek köszönhetően a kutatócsoport meghaladta a korábbi korlátokat, és ma már több mint ötven drónt képesek természetes összhangban reptetni, számítógépes szimulációk alapján pedig az új paradigma ezer robot gördülékeny koordinálására is alkalmas. 

Járvány, klímaváltozás, forradalmak – mindez csak három dermesztő arca annak a felbolydult világnak, ami ránk vár. Lesz még neki jó pár. Ha teheted, segítsd a munkánkat, mi megháláljuk a bizalmadat, és ebben a nagy zavarodottságban hitelesen, alaposan és közérthetően magyarázzuk el, hogy a legégetőbb kérdésekre milyen válaszokat adnak a sárgolyó legnagyobb elméi. Maradj velünk. Támogatom a Qubit szerkesztőségét!

Korábbi kapcsolódó cikkeink: