Revista Pesquisa FAPESP: Enxames de robôs

Ramo da robótica prevê máquinas que executam tarefas em grupo

Reportagem por Revista Pesquisa FAPESP

MARCOS DE OLIVEIRA | ED. 261 | NOVEMBRO 2017

© EESC-USP
Drones voando em formação
Drones voando em formação e dotados de sistemas
de robótica de enxame podem ser utilizados para
vigiar fronteiras, localizar desastres ambientais e agir

conforme a necessidade e a programação

Inspirada na organização de insetos sociais, como formigas, abelhas e cupins, e na formação dos cardumes de peixes e de aves em voo, a robótica de enxames é um campo de estudo que procura os melhores caminhos computacionais para que robôs possam trocar informações entre si e agir em conjunto, de acordo com um objetivo comum para o qual foram programados. São soluções computacionais que estão no campo de estudo de vários grupos de pesquisadores do mundo. Ainda sem exemplos comerciais, a robótica de enxame tem perspectiva de uso tanto em locais fechados quanto abertos, como no mar, na inspeção e no reparo de plataformas submarinas, na vigilância marítima e no ar, com drones dotados de sistemas para vigiar fronteiras, por exemplo.

Embora o conceito exista desde os anos 1980, nos Estados Unidos, somente no início desta década, com a evolução da engenharia eletrônica e da computação, com circuitos eletrônicos menores e mais potentes, das facilidades da comunicação sem fio e montagem de robôs baratos, além da implementação de sistemas de inteligência artificial, é que esse ramo da robótica conseguiu avançar.

“Esse tipo de tecnologia está ficando cada vez mais barato, mas ainda não é suficiente e existe a necessidade de muita pesquisa e desenvolvimento para os enxames de robôs serem comercializados em um futuro não muito distante”, analisa o engenheiro eletricista Marco Terra, coordenador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) para Sistemas Autônomos Cooperativos (InSAC), sediado na Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP). “Essa categoria de robôs, para se popularizar, depende fundamentalmente do barateamento de sensores e demais componentes.”

© ISCTE-IUL

Experimento com grupo de robôs-barcos no rio Tejo,
em Portugal, testa sistemas para
ações coletivas
como localização,
agrupamento e dispersão

O Laboratório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos anunciou em outubro deste ano um grande projeto nessa área, com duração de cinco anos, no valor de US$ 27 milhões. Sob a liderança da Universidade da Pensilvânia, um grupo de pesquisadores pretende desenvolver equipes autônomas, inteligentes e resilientes de robôs com diferentes habilidades para atuar com seres humanos na busca e resgate de reféns, coleta de informações após ataques terroristas, nos desastres naturais e no apoio a missões humanitárias em áreas de conflito. Também fazem parte do projeto o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Instituto de Tecnologia da Georgia (Georgia Tech), Universidade do Sul da California e as universidades da Califórnia em San Diego e Berkeley.

No anúncio conjunto das instituições participantes do projeto, os pesquisadores explicam que a procura por pessoas desaparecidas acontece em grupo e a robótica de enxame prevê que, se algumas dessas máquinas forem danificadas, as demais podem se reconfigurar e se reorganizar para continuar a trabalhar em conjunto, mesmo sem sinal de GPS ou nuvem computacional. Cada robô trabalha com os outros em um objetivo comum, mas cada um pode ter tarefas diferentes e ganhar outras funções ao longo da missão, conforme as necessidades.

Um dos maiores experimentos em robótica de enxame aconteceu no Instituto Wyss de Engenharia de Inspeção Biológica da Universidade Harvard, nos Estados Unidos, e foi publicado na revista Science em 2014. Foram reunidos 1.024 microrrobôs, com poucos centímetros de altura e largura, chamados de kilobots, fáceis de montar e muito usados em experimentos de robótica. Sob a liderança do engenheiro eletricista Michael Rubenstein, atualmente na Universidade Northwestern, os pesquisadores conseguiram fazer os robôs trocarem mensagens – de modo análogo a formigas e abelhas que se tocam ao longo do caminho ou em voo para troca de informações – entre eles por meio de luz infravermelha formando, com o conjunto de seus corpos, imagens como uma estrela ou a letra K. Cada robô, de acordo com a programação, participou da construção das imagens apenas com as informações transmitidas pelos vizinhos.

“A capacidade dos robôs em resolver problemas é uma possibilidade aberta pelo aprendizado de máquina em que o artefato é programado para reconhecer o ambiente e tudo o que está a sua volta”, explica a cientista da computação Esther Luna Colombini, professora do Instituto da Computação da Universidade Estadual de Campinas (IC-Unicamp) e presidente, entre 2012 e 2016, da Robocup no Brasil, que organiza olimpíadas de robôs em todo o mundo. O aprendizado de máquina é um sistema computacional que permite aos robôs aprender com base em padrões e processar informações com a absorção de experiências adquiridas. “De maneira geral, eles podem ‘aprender’ durante a execução de uma tarefa. Há muito espaço para uma redefinição do que os robôs vão fazer em cada situação”, explica Terra.

“Eles são capazes de aprender com pouca informação. Cada robô pode identificar uma garrafa de Coca-Cola dentro de uma casa, mesmo sem ter sido preparado para reconhecer aquilo. Basta ele jogar a imagem na internet que conseguirá reconhecer”, conta Esther, que também é integrante da Sociedade de Automação e Robótica (RA Society) que faz parte da entidade norte-americana Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE). Ela lembra que nas competições de robôs, principalmente as de futebol robótico, a tecnologia de enxame normalmente não está presente porque cada jogador está programado para tarefas predeterminadas e não para atuar em grupo. “É possível simular estratégias de equipe que envolvam comportamentos dos robôs e características diferentes do programado para mudar um esquema tático durante o jogo, mas isso não é o normal nessas competições.”

Os robôs de enxame podem ser mais baratos e simples do ponto de vista estrutural do que aqueles mais frequentes nos meios de comunicação, semelhantes a humanos, com cabeça, tronco, pernas e braços. As máquinas na robótica de enxame precisam ter vários sensores e devem ser construídas com base na missão a cumprir. Dependendo do local de atuação, utilizam-se esteiras ou rodas multidirecionais para locomoção ou ainda pequenos barcos ou drones.

© UNIVERSIDADE HARVARD

Na Universidade Harvard, experimento com 1.024
minirrobôs

Ação marinha
Dois experimentos mostram o potencial da robótica de enxame para uso em ambientes aquáticos. O projeto Seaswarm, do MIT, prevê veículos robóticos autônomos de 4,8 metros de comprimento por 2,1 m de largura atuando em conjunto para extrair óleo da superfície do mar, principalmente em estuários e baías. São como barcos e se movem por meio de energia solar gerada por painéis fotovoltaicos instalados na parte superior do robô. Com isso, podem ficar vários dias no mar sem precisar voltar à terra. Uma esteira rolante na parte traseira do robô coleta o óleo na superfície. Quando a esteira se move para a parte da frente do robô, o óleo se solta e fica armazenado ali até o veículo voltar para a terra ou entregar a carga a um barco de coleta no caminho (ver imagem). Apresentado em 2010, o projeto Seaswarm ainda não foi transformado em um produto comercial.

Em Portugal, pesquisadores do Instituto Universitário de Lisboa (ISCTE-IUL) e de outras instituições fizeram um experimento com pequenos barcos de 60 centímetros de comprimento com equipamento embarcado para estudar como os sistemas de robótica de enxame podem operar em condições reais. Foram utilizados 10 robôs-barcos, ao preço de € 300 cada, em um lago que recebe águas do rio Tejo, em Lisboa. Em artigo na revista PLOS ONE, de 2016, eles mostram o desenvolvimento dos sistemas de controle para quatro tarefas coletivas realizadas pelos robôs aquáticos: localização, agrupamento, dispersão e monitoramento de área. Cada uma foi testada em separado para verificar a robustez do sistema de algoritmos elaborado pelos pesquisadores. O objetivo desse sistema é utilizar esse enxame de robôs em serviços de monitoramento ambiental e vigilância.

O grande desafio da atual situação da robótica de enxame é o aprimoramento dos sistemas de comportamento dos robôs. “É preciso estudar a comunicação entre eles feita por infravermelho, wi-fi, bluetooth ou ondas de rádio para que possam cumprir uma determinada tarefa”, diz Nadia Nedjah, professora da Faculdade de Engenharia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj).

© MIT

Acima, simulação computacional no MIT de robôs
aquáticos fazendo limpeza no mar

“Fazemos pesquisa básica, em que formamos, no computador, clusters de 40 a 70 indivíduos que se agrupam, mas não se conhecem a princípio. Um dos experimentos é contornar obstáculos formando triângulos com três robôs. Eles devem se movimentar juntos como uma formação de aves em voo, o que depende da conversação entre eles. Conforme a informação, eles tomam a decisão de acordo com as necessidades da tarefa e do grupo”, explica Nadia. Em um estudo finalizado em 2016 e publicado na revista International Journal Of Bio-Inspired Computation, ela avaliou um algoritmo, desenvolvido pelo grupo, para situações em que um robô precisa de colaboração de outros robôs em uma tarefa. Chamado de algoritmo de onda, esse sistema estabelece um processo de recrutamento por meio da propagação de mensagens transmitidas por infravermelho entre robôs vizinhos até verificar aqueles que podem ajudar. “A tecnologia tanto de hardware quanto de software já existe, mas tudo está na fase experimental”, diz Nádia.

No InSac, que abrange mais seis universidades e três institutos de pesquisa brasileiros, um dos temas de estudo é a robótica de enxame aérea voltada para a agricultura. “Estamos estudando o uso na pulverização de lavouras. Nesse sistema cada drone sabe a área que pulverizou. Caso um deles tenha ficado sem insumo ou com problemas técnicos, outros podem fazer o trabalho no seu lugar, sem precisar de um comando humano”, explica Terra. “A robótica de enxame ainda tem muito a avançar e o Brasil tem condições de disputar pequenos nichos que estão se formando nessa área, como na agricultura.”

Terra lembra ainda que a evolução da robótica recai também sobre os carros autônomos, que poderão funcionar como um enxame. “Quando muitos deles estiverem na rua, vão precisar conversar entre si para tomar decisões. Por exemplo, em um cruzamento sem semáforo, terão que decidir quem passa primeiro com segurança por meio de sensores e algoritmos de sistemas computacionais embarcados”, analisa Terra.

Projeto
INCT 2014 – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia para sistemas autônomos cooperativos aplicados em segurança e meio ambiente (nº 14/50851-0); Modalidade Projeto Temático; Programa INCT; Pesquisador responsável Marco Henrique Terra (USP); Investimento R$ 2.234.701,20.

Artigo científico
SILVA JÚNIOR, L. D. R. S. e NEDJAH, N. Distributed strategy for robots recruitment in swarm-based systems. International Journal of Bio-Inspired Computation. Publicado on-line em 4 mai. 2016.

Unicamp recebe minicurso sobre técnicas de controle em dirigíveis

Professor José Azinheira ministra curso sobre técnicas de controle em dirigíveis. Foto: Samuel Bueno

Ensinar técnicas que possam descrever o comportamento e controlar as ações de dirigíveis em determinado cenário. Esse foi o objetivo do minicurso oferecido na Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) da Unicamp pelo professor José Raul Azinheira do Instituto Superior Técnico de Lisboa (IST), nos últimos dias 2 e 3 de outubro.

Participaram do curso pós-graduandos e pesquisadores da Unicamp, da Universidade Federal do Amazonas (UFAM) e do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI). Eles aprenderam tópicos importantes sobre as seguintes áreas: modelagem dinâmica e simulação de dirigíveis, Controle INDI (Incremental Nonlinear Dynamic Inversion) e Controle IBKS (Incremental Backstepping). “Conseguimos estabelecer um diálogo com os alunos de forma a integrar as noções expostas nas experiências dos participantes”, conta José Azinheira.

Segundo Samuel Bueno, pesquisador do CTI, as técnicas apresentadas no minicurso permitem realizar estudos desde o dimensionamento de atuadores da aeronave até estratégias de controle e navegação. O especialista explica que as ferramentas de controle INDI e IBKS são recentes e foram desenvolvidas na Delft University of Technology, na Holanda, sendo aplicadas em sistemas aeronáuticos.

Modelagem dinâmica e controle de dirigíveis são os temas que caracterizam a colaboração científica existente entre diversos pesquisadores desde a década de 90 e que prossegue durante o GT2, projeto que visa o desenvolvimento de plataformas mais leves que o ar para sensoriamento, comunicação e sistemas de informação aplicados à região Amazônica. Este projeto está sendo realizado no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia para Sistemas Autônomos Cooperativos (InSAC).

O grupo de pesquisa do professor José Azinheira vem trabalhando há anos com essas técnicas para controle de aeronaves com asas e multirotores. No caso do GT2, os estudos se concentram no controle de dirigíveis robóticos e são realizados em cooperação com os cientistas brasileiros.

 

Mais informações
Assessoria de Comunicação do InSAC
Telefone: (16) 3373-8740
E-mail: comunica.insac@usp.br

Pesquisa propõe escolta de robôs para guiar pessoas e animais

 

 

Técnica permite traçar o caminho mais rápido durante percursos realizados em ambientes parcialmente conhecidos

 

Robôs formam uma “cerca virtual” ao redor dos animais para guiá-los até o destino final. Foto: Alexander Jahn

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