Migrační drony létají. Jak hejna ptáků ovlivní vývoj robotiky a autonomní dopravy.

V přírodě existuje mnoho příkladů koordinovaného pohybu bez jasného vůdce vydávajícího rozkazy. Zvířata všech velikostí, od velryb po hmyz, se mohou pohybovat v hejnech, školách nebo rojích. Když desítky a stovky nezávislých organismů létají, plavou nebo se plazí společně jedním směrem, aniž by se srážely s překážkami nebo se vzájemně navzájem, týmy vědců se prostě nemohou minout. Dnes chování ptačích hejn a včelích rojů inspiruje nejen umělce, ale i vědce, kteří je studují, aby zvýšili autonomii bezpilotních vozidel. N+1 společně s technologiemi 5G zjistila, jak studium hejn pomáhá implementovat drony a jak to souvisí s 5G sítěmi.

Mechanika balení

V roce 1987 vyvinul specialista na počítačovou grafiku Craig Reynolds program pro simulaci hejna ptáků za letu ve XNUMXD. V Reynoldsově modelu bylo hejno souborem jednotlivých agentů. Každý simulovaný pták se choval jako nezávislá entita a jednal podle tří pravidel: vyhýbal se shlukům svých „kolegů“, pohyboval se ve směru jejich průměrné dráhy a mířil na průměrnou polohu (těžiště) sousedních objektů. Reynoldsův model byl později použit v dalších oblastech, například při automatickém generování playlistů pro vícekanálové internetové rozhlasové stanice, aby virtuální „DJ“ brali v úvahu skladby, které se nedávno přehrávaly na jiných kanálech.

Během posledních 30 let se vědci dozvěděli mnohem více o fyzice ptačích hejn – moderní modely se staly složitějšími a berou v úvahu více faktorů.

Vědci z Univerzity Severní Karolíny v Chapel Hill nedávno analyzovali téměř 100 hodin letových pozorování 18 hejn, včetně dvou smíšených hejn různých druhů ptáků, a všimli si, že všichni ptáci za letu vytvořili tzv. složenou strukturu ve tvaru písmene V.

Tato forma kombinuje výhody dvou běžných typů ptačích hejn: formálně strukturovaný oblak charakteristický pro holuby a jednoduchý klínovitý tvar hejna hus.

První struktura poskytuje ochranu před predátory tím, že jim ztěžuje výběr cíle, zatímco druhá zlepšuje aerodynamiku. Ptačí křídla vytvářejí proud vzduchu směrem dolů za sebou a proud vzduchu směrem nahoru doleva a doprava. Vědci si všimli, že bez ohledu na velikost většina ptáků, které studovali, dávala přednost tomu, aby se od svých druhů vlevo a vpravo drželi o rozpětí křídel dál než ostatní a o půl až jeden a půl rozpětí křídel za sebou – v této poloze v hejnu ptáci létají rychleji a méně často mávají křídly.

Tato zjištění nejsou důležitá jen pro ornitology – mohou pomoci vyvinout algoritmy pro chování skupin dronů. Například pokud ptáci jakékoli velikosti získávají aerodynamické výhody létáním v hejnu, proč nenaučit drony létat ve formaci V – úspora energie jim umožní letět déle ve vzduchu a na dlouhé vzdálenosti.

Roj dronů

Ptákům, včelám nebo dronům nestačí jen vytvořit hejno nebo roj – formaci je potřeba udržovat i během letu. To vyžaduje koordinaci pohybu, a tedy přenos informací mezi členy hejna. Studium letu ptáků tedy může vývojářům dronů pomoci zorganizovat efektivnější výměnu dat v rámci roje.

V dnešní době autonomní roboti využívají standardy bezdrátové komunikace (zejména mobilní sítě, Wi-Fi nebo rádiové moduly XBee s frekvencí 2,4 gigahertzů). Více otázek se týká komunikace v rámci hejna – ve 1930. letech XNUMX. století ornitolog Edmund Selous dokonce naznačil, že ptáci interagují pomocí telepatie. Ačkoli mechanismus jejich komunikace není ani dnes plně pochopen, s největší pravděpodobností se ptáci řídí jak vizuálními (pozorováním sousedů), tak zvukovými (například vibracemi jednotlivých peří) signály.

Výzkumníci z Italského institutu komplexních systémů ukázali, že místo toho, aby se každý pták seřadil rovnoběžně s letovým vektorem souseda, kopíruje pouze strmost svého obratu. Informace o nadcházejících obratech se hejnem přenášejí rychlostí 20–40 metrů za sekundu a skupina 400 ptáků se otočí za pouhou půl sekundy.

A je to velmi ekonomická forma komunikace: V roce 2017 čínští vědci zjistili, že každý holub v hejnu komunikuje s ostatními pouze tehdy, když potřebuje předat informace o manévru. Možná, že použití tohoto principu na velké skupiny dronů zlepší jejich energetickou účinnost a sníží množství přenášených dat, takže informace budou přenášeny, když je to skutečně nutné.

Když počítačoví vědci simulovali roje dronů, jen zřídka brali v úvahu reálné podmínky, jako jsou komunikační zpoždění, překážky atd. Ve většině modelů byl každý autonomní dron naprogramován samostatně a nemohl se přizpůsobit měnícím se podmínkám prostředí – to znamená, že jednoduše letěl po individuální trati. Typický dron nejenže neinteraguje se svými sousedy, ale také si obecně „neuvědomuje“, že je součástí skupiny dalších podobných agentů. Přesně tak byl nastaven rekordní roj dronů od Intelu – 1218 2018 dronů s individuálními programy se zúčastnilo natáčení videa pro zahajovací ceremoniál olympijských her v roce XNUMX.

Chování skutečných hejn je ale složitější: ptáci spolu komunikují a sdílejí informace o překážkách. Autoři studie publikované v červenci 2018 v časopise Věda Robotics Výzkumníci vyvinuli nový model distribuovaného roje dronů, který napodobuje chování hejna ptáků. S jeho pomocí se roj autonomních dronů dokáže pohybovat vysokou rychlostí v uzavřeném prostoru a zároveň se vyhýbat srážkám s překážkami. Model funguje i v hlučném prostředí, s nepřesnými senzory a značným komunikačním zpožděním. Simulace ukázaly, že takové drony se dokáží úspěšně vyhýbat překážkám rychlostí až 32 m/s, přičemž roj může zahrnovat až 1000 dronů.

Dynamika hejna závisí nejen na prostředí, ale také na vnitřní struktuře skupiny, která se do hejna shromáždila. Takto publikováno v květnu 2019 v časopise Ekologie a evoluce přírody Studie nabízí novou interpretaci skupinového chování ptáků. Kavky tvoří páry na celý život a v hejnu je tato skutečnost důležitá: ukázalo se, že let „manželů“ vypadá zcela jinak než u jednotlivců: pár se drží pohromadě, létá efektivněji (méně často mává křídly stejnou rychlostí), ale zároveň se v menší míře „rojí“ – není tak náchylný k dynamickým změnám ve struktuře samotného hejna jako jednotlivci. Jinými slovy, rychlost transformací a manévrovatelnost hejna kavek, ve kterém je více párů než „mládenců“, je o něco nižší, ale méně se unavují, protože létají efektivněji.

Spoluautor Nicholas Ouellette ze Stanfordské univerzity se domnívá, že studium chování hejn kavek donutí inženýry, kteří „kopírují“ principy kolektivního pohybu z přírody pro vývoj algoritmů pro autonomní vozidla, přehodnotit své přístupy. Budou se auta nebo drony vytvořené stejným výrobcem chovat jako páry kavek, „poslouchající“ pouze jeden druhého a nevěnující pozornost ostatním účastníkům silničního provozu? Podle Ouelletta mohou drobné rozdíly v algoritmech dronů ovlivnit celkové chování flotily.

Spojení mezi drony a hejny se neomezuje pouze na implementaci bionických principů v robotice. V roce 2018 vědci vyvinuli algoritmus, který umožňuje dronu odhánět hejna ptáků od letišť a dalších omezených oblastí. Algoritmus vybírá letovou dráhu, která posouvá „těžiště“ hejna do bodu mimo hranice chráněné oblasti.

Terabajty pro rozhodování

Široké rozšíření autonomních vozidel a velkých rojů dronů nezávisí jen na pokroku v chápání kolektivní inteligence rojů, ale také na rozvoji technologie 5G, protože efektivní přenos obrovského množství informací je v dnešních mobilních sítích nemožný. Bývalý generální ředitel společnosti Intel Brian Krzanich odhaduje, že průměrné autonomní auto dokáže denně vygenerovat 4000 150 gigabajtů dat, zatímco malá flotila dronů produkuje XNUMX terabajtů dat denně.

V existujících sítích 4G drony manévrují s malými zpožděními – při řízení velké skupiny dronů budou tato zpoždění již kritická, protože velikost hejna se počítá ve stovkách zařízení. Americká vojenská agentura DARPA před měsícem předvedla, jak smíšený roj několika stovek vrtulníků a pozemních dronů po vstupu do města našel potřebnou budovu a zorganizoval její kordon: vrtulníky se nad ní vznášely a jejich kolegové na kolech začali hlídkovat na okolních silnicích.

V dubnu 2019 NASA testovala roj více než stovky miniaturních dronů projektu Cicada. Napodobují pohyb roje hmyzu a lze je použít nejen pro vojenské účely, ale i pro mírové účely – například v meteorologii. Každý dron má velikost lidské dlaně a je vybaven senzory teploty, tlaku a větru.

V budoucnu pomůže „princip hejna“ dronům dosáhnout plné autonomie. Armáda bude k obraně i útoku používat roje dronů. Vrtulníky budou ošetřovat pole a lesy insekticidy. Dnes jednotlivé drony zachraňují životy doručováním léků a účastí na záchranných operacích v odlehlých oblastech: například podle společnosti DJI pomohly její drony od roku 257 zachránit 2013 lidí. Během kalifornských lesních požárů v roce 2018 byly drony použity k natáčení oblastí postižených katastrofou. Po zavedení sítí 5G nahradí v takových operacích jednotlivé drony roje stovek bezpilotních vozidel.

Inkubátor dronů

V nadcházejících letech se sítě 5G objeví i v Rusku, ale vývojáři si mohou svá technologická řešení testovat v inkubátoru MTS 5G již nyní. Jednou z oblastí výzkumu v rámci inkubátoru je ovládání velkého množství zařízení, jako jsou bezpilotní auta, drony nebo roboti.

Koordinace více zařízení bude jednou z nejoblíbenějších funkcí standardu 5G. Sítě páté generace budou mít zvýšenou kapacitu kanálů díky použití pole antén pro příjem a přenos dat. Technologie dělení sítě navíc umožní vytváření izolovaných podsítí pro různé úkoly: internet věcí, streamování videa, autonomní dopravu nebo roje dronů.

Formát inkubátoru zahrnuje pracovní prostor pro 5G s testovacím zařízením, technickou a marketingovou podporu od specialistů MTS a 5G moduly pro instalaci do zařízení. Rezidentem inkubátoru se může stát jakýkoli tým nebo vynálezce připravený vytvářet produkty a služby pro 5G sítě.