【機器人】群機器人學——機器人海戰術

無論在產業界，在研究開發領域，還是在傳媒，日本都是公認的機器人大國。不少年紀稍大的人會想起鐵臂阿童木，還有索尼的機器狗AIBO，年輕一點的人有很多是高達的粉絲，對本田的ASIMO應該也很熟悉。

 

 

照片/ 本田的ASIMO， 轉自日本科學未來館主頁

早些年影視圖書中的機器人大多形象高大，智慧超人，動作迅猛，敏捷且力大無窮。此類機器人作為人類追求的理想目標，性能自然是沒說的，可惜難以現世。現實中，產業機器人作為工廠自動化的主力軍，主要致力於實現人類的部分功能，但並不追求類似於人類的外形。最具有代表性的應屬機器手。這是一種具有多關節的單臂機器人，可以承擔類似於人類手臂的工作，象噴漆，搬運物品，焊接等。另一類則是外形象人的機器人。其目標是儘可能實現人的全部功能，包括象人一樣用兩腿行走，有雙手可以工作，也可以生成各種手勢，有雙眼，耳朵，能跟人對話交流，察顏觀色，並會做出各種表情。具體實例有Honda 的 ASIMO，Softbank 的 Pepper 等。ASIMO 不但在人群中行走，還能跑步，單腳或手腳在原地跳躍。它能完成迎接客人，帶路，端茶倒水等工作。Pepper 的強項是人機交流，可以跟人對話，猜謎，和人一起表演等。這些機器人外形，功能各不相同，但它們都是獨立工作，活動的。一台機器人在工作時並不需要其他機器人的幫助，它只是根據自身以及周圍的環境進行判斷選擇最佳方案獨立完成任務，不會配合其他機器人一起合作完成一項單個機器人難以完成的作業。

於東京水道橋softbank（客觀日本編輯部）

俗話說，「人多力量大」， 「三個臭皮匠賽過諸葛亮」。還有一些反面的說法，比如，「猛虎難敵群狼」。這些句話表達的都是一個意思：想干大事業得靠團隊。單個個體，不管是人，動物還是機器，就算其本領再強大，也難以成大事。眾所周知，一隻螞蟻，蜜蜂並沒多大本領，但是一個蟻群或蜂群則可以 形成一個社會，其捕食，築巢，育子，清掃等工作井井有條，用很短的時間就能建立起一個獨立王國。

我們生產製造機器人，主要為的是讓它們代替我們完成那些繁重，危險，複雜，重複性的枯燥的勞動和作業。如果為完成此目的而使用那些結構複雜，功能齊全機器人，不僅在製造它們時需要眾多的人力物力和財力，在使用和維護時也需要具有專業知識的技術人員的支持，也需要相當多的資源。這樣一來，結果不免有些本末倒置，跟我們最初意願背道而馳。如果我們能夠用低廉的費用生產大量功能簡單的機器人，並且能將它們做成一個具有社會性的，有集體精神的團隊，那麼只要向它們發一個指令，它們就會互相協作，共同完成一項巨大而複雜的任務，即是其中有部分偷懶怠工，出故障，也不影響大局。這樣一來，不僅可以降低製造，使用的費用，減少維修管理的負擔，還能完成單個機器人難以勝任的大型複雜作業。

在機器人的研究中有一個叫做 「群機器人學」 （Swarm Robotics） 的分支，研究方向是通過調查，解析具有社會性的生物群的結構，理解其組織的形成，互相通訊的手段，每個個體如何決定自身的行動，如何形成協調行為等，來開發出具有類似功能的機器人群。

日本機器人學會期刊今年7月號刊登了 「群機器人學和昆蟲生態學」 的特集。與群機器人學有密切關係的重要研究之一是宏觀生物學。它的研究內容就是要弄清楚社會性動物的集體活動的過程和原理，比如螞蟻的採食活動。1987年研究人員發明了一個叫做 Bird-oid 的再現鳥群飛翔的模擬演算法。通過觀察鳥群的行為，研究人員在這個演算法中植入了三條簡單的規則，

第一條是分離規則

，即任意兩個個體間的距離必須大於許可的最小值，以免相撞；

第二條是排隊規則

，即每個個體應保持與其他個體大致相近的速度和方向；

第三條是結合規則

，即每個個體應向群體的中心方向飛行。Bird-oid演算法依據這三條簡單的規則成功地逼真地再現了大規模的鳥群的複雜的飛行行為。

宏觀生物學的關於群體行為的研究對機器人的研究具有多方面的影響。第一個是關於機器人的通訊。眾所周知，機器人的通訊大多通過無線電波進行。一旦無線電波無法利用，機器人就會停止工作，甚至會發生誤動作。反觀生物，他們之間往往用多種手段進行通訊，肉體接觸，舞蹈，發光，發生聲音，嗅覺，味覺等，都是它們用來交換信息的方法。第二個是利他行為和自我組織化。螞蟻在遇到深溝是，一些螞蟻會用它們自己的身體搭橋供其他螞蟻通行。蜜蜂會用自己的身體堵住蜂窩的進出口以抵禦外敵的侵入。這些利他行為使總體的性能提高。第三是機器人群系統。作為一個群體，應該首先具有堅固性，也就是一部分的欠缺不影響整體的機能。其次應具有柔軟性。當環境或任務發生變化時，群體應具有隨機應變的功能。最後還應有擴張性，即規模變大時，群體依然能保持原有的機能，不發生崩潰。

照片/ 英特爾公司在其他的地方表演的無人機群照片。提供英特爾公司

現在在日本，美國，歐洲，以及其他國家地區的研究機關，進行著許許多多的關於群機器人的研究。比如哈弗大學做了一個有1000台小型移動機器人的群。京都大學的松野文俊教授領導的研究室也進行著有關全機器人的通訊，控制，對環境的自適應的研究。2017年夏天英特爾公司，hapi-robots 公司與豪斯登堡公司合作在九州長崎縣豪斯登堡舉行了300架無人機群的表演，在夜空中映出各種立體燈光的運動圖案，展示了群機器人的風采。

群機器人的研究目前還處於可能性的探索的階段，距離成熟和在產業界的廣泛應用還比較遙遠。但它的基本思想方法和研究方向無疑是非常有價值的，因為人類自身的成功及足以證明社會和集體的重要性。機器人的發展也將會如此。

文/ 陳謙 （和歌山大學系統工學部）

作者簡介  陳謙

出生於中國北京市，在日本居住32年。現任和歌山大學系統工學部准教授。在西安交通大學信息與控制工程專業獲得學士後，渡日後在大阪大學基礎工學研究科物理系控制工學領域獲得碩士，工學博士學位。1992年進入財團法人圖像技術科學研究所任研究員，1994年開始在大阪大學任助教，1995年轉入奈良先端科學技術大學院大學任助教，1997年轉入和歌山大學任講師，2000年升任副教授至今。渡日後從事機器人，計算機視覺，計算機圖形學，虛擬現實以及三維計測方面的研究。網頁介紹：

 

http://www.wakayama-u.ac.jp/~chen/

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