Rajban repülés

A madárrajok mozgása csoportos mozgás, és a tudomány mai állása szerint egyelőre megfejtetlen, hogy kollektív viselkedésük során az egyes madarak egyéni repülése miképp áll össze a hatalmas madárrajok összehangolt, amőbaszerű, tökéletesen egyidejű mozgásává. Vicsek Tamás magyar fizikaprofesszor 25 éve tette közzé modelljét, elsőként írva le a matematika nyelvén az élővilág csoportos mozgásait.

„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 adott interjúban Vicsek Tamás professzor, a Magyar Tudományos Akadémia rendes tagja, a biológiai fizika és a komplex alakzatok természetben történő kialakulásának kutatója. 

A professzor kutatásai szerint a raj egyedei közötti kölcsönhatások csak az egyedek szűk környezetében elérhető információra szorítkoznak, vagyis azaz lokálisak, ugyanakkor ezek a döntések az egész rajra kiható, azaz globálisnak nevezhető viselkedést eredményeznek.

A Vicsek-modellben elegendő az egyes egyedeknek körülnézni és az általa megtapasztalt átlagos mozgásirányba repülni ahhoz, hogy az egész raj mozgása összehangolódjon és szinkronban legyen.

Néhány szó az EHang légitaxijának sikere kapcsán az autonóm légiközlekedés kihívásairól Ha a tetőkön landoló városi légitaxik koncepciója életképesnek bizonyul, akkor felsétálhatunk egy magasabb épület tetejére, és átruccanhatunk egy másik állomásra a város túloldalán. Mindeközben kihagyjuk a földi forgalmat és a nyomasztó közlekedési dugókat. De mikor is?

Ágens alapú modellek

A modell az olyan ágensalapú modellek közé tartozik, ami egyszerű szabályokkal írja le az egyedi viselkedést. Ezek a modellek a közelmúltban tettek szert nagy népszerűségre a komplex rendszerek leírásában, mivel ahogy a számítási kapacitásaink növekedtek, úgy váltunk képesek egyre nagyobb számban akár egyesével szimulálni az ágenseket.

A csoportos együttmozgás egyre szabályszerűségére derült fény. Vicsek kutatócsoportja egy 2009-ben elnyert el ERC-pályázati finanszírozás segítségével az új eredményekre támaszkodva nekiállt autonóm robotrajt kifejleszteni kutatócsoportjával, melynek első lépése a madarak megfigyelése volt. A kísérletben résztvevő galambok GPS készülékekkel repültek, és mozgásuk analízisével a kutatók új adatokra tettek szert. 

A kutatók az autonóm, rajban együtt mozgó drónok irányításának tökéletesítéséhez használták fel az eredményeiket. Az ELTE Biológiai Fizika Tanszék és az MTA-ELTE Biológiai és Statisztikus Fizikai Kutatócsoport drónrajos kutatási eredményei már 2014-ben megszülettek, és a nemzetközi tudományos közösség figyelmét is felkeltették. Az akkori első autonóm, önszerveződő drónraj tíz gépből állt. 

Evolúciós algoritmusok

Az irányításukhoz a kutatók biológiai motivációjú algoritmusokat, majd azok optimalizációjához az evolúcióról szóló ismereteinket is felhasználták. A létrehozott irányítási rendszerrel a drónok nagy egyedszámú rajokban egymással is kommunikálva repülnek a közös cél felé, csoportosan, egyszerre reagálva elkerülve az akadályokat, épp úgy, mint a madarak. 

Vásárhelyi Gábor, az ELTE Biológiai Fizika Tanszékén működő robotikai labor vezetője a Qubitnek adott interjújában elmondta, hogy a vezérlést biztosító algoritmus az élőlények csoportos mozgását leíró modellek alapvető összetevőit egészíti ki drónspecifikus mozgásjellemzőkkel és bizonyos fokú intelligens útvonaltervezéssel. Az algoritmus paramétereit az ELTE szuperszámítógépein futtatott evolúciós algoritmus segítségével optimalizálták, így jött létre a következő generációs drónraj. Ezt az eredményt 2018-ban a Science Robotics magazin a címlapján hozta.

Rájöttek, hogy egyes madarak mitől olyan intelligensek, hogy talán még öntudatuk is van Az emlősök nagyon okosak. Fejlett aggyal és, agykéreggel rendelkeznek, ezért gyakran azt feltételezzük, hogy az emlősök fejlett kognitív képességei szorosan összefüggenek az agykéreg evolúciójával. Azonban a  madarak is nagyon okosak is lehetnek elképesztő kognitív képességekkel, bár nincs agykérgük. De akkor hogyan csinálják?

A modell ekkor még nem volt tökéletes, ha harmincnál több drón repült zárt térben együtt, a teret határoló falaknál feltorlódtak, a helyzetük veszélyessé vált. „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” - mondta Balázs Boldizsár a kutatócsoport doktorjelölt tagja, a mostani eredményeket bemutató cikk első szerzője. 

A probléma sok tekintetben hasonlít a statisztikus mechanika egyik alapvető összefüggésére, a fluktuáció-disszipáció tételre. 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.

Csapatokban támadó kamikáze drónokat tesztel Kína A drónok rajokban repülnek, és távirányítással semmisítik meg a célpontot.

Madarak, halak, hierarchiák

A madarak, vagy akár a halak, az evolúció segítségével megoldották ezt a kihívást, a rajok stabilak, miközben reakciókészek is. Több száz kilométert képesek együtt, rendezetten vonulni, és ha bármikor ragadozó tűnne fel, egyetlen tömbként mozdulva kerülik el azonnal reagálva.

A kutatók úgy találták, hogy az egyedeknek az a képessége, hogy helyesen ítéljék meg egymás pillanatnyi jelentőségét, és ehhez igazítsák a raj ideiglenes hierarchiáját, melynek csúcsán a valóban fontos vezetők állnak, megoldhatja a talányt.

A természetben ezt számos kommunikációs jelzés segíti, ha egy egyed mindenki számára fontos információt kap, azt jelzéssel (vijjogás, szárnyrebegtetés) továbbíthatja a többieknek, de a mozgásában beálló hirtelen, ösztönszerű változás is lehet kulcsinger a raj többi része számára. Szűrőkkel leválaszthatóak a kevésbé fontos változások, melyeket nem terjeszteni hanem elfojtani érdemes. Így a madárraj összehangoltan, mégis alacsony reakcióidővel repülhet. Az alapelv a robotokra is könnyedén átültethető. A közlekedésben, az autókon ilyen jelzéskibocsátó eszközök az index és féklámpák. 

A felfedezett elveknek, az adaptív, információs hierarchián alapuló vezetésnek köszönhetően a kutatócsoport ma már több mint ötven drónt képes összehangoltan, rajban reptetni, számítógépes szimulációik pedig azt mutatják, hogy az új paradigma ezer drón gördülékeny koordinálására is alkalmas. A kutatás eredményei a brit Királyi Tudományos Társaság Interface tudományos folyóiratában jelentek meg.

(Forrás: Qubit Kép: Army.mil)

Ez is érdekelhet:

Az Aevum Ravn X, a világ legnagyobb, teljesen autonóm orbitális rakétát indító drónja Az Aevum vállalat bemutatta a Raven X-et, a világ legnagyobb tömegű pilóta nélküli repülőgép-rendszerét, ami képes 180 percenként egy műholdat juttatni az űrbe.

Nem csak helikopterről oltják az USA tüzeit, a tűzoltó-drónok tűzgolyókat vetnek a magasból Az Egyesült Államok nyugati partján hatalmas tűzvészek tombolnak, az éghajlatkutatók egyenesen a „megatüzek” koráról beszélnek.

Intelligens álcázóminta rejtheti el a vadászgépeket a drónok MI rendszerei elől A drónok kamerája bár mindent lát, de épp mint az embernél, hiába éles a szem, a mögötte álló agy becsapható, ha megismerjük működésének jellemzőit. A legújabb fejlesztés egy kisebb méretű álcázóminta, melynek alkalmazása eltünteti a vadászgépeket az MI elől. Látják őket, de nem ismerik fel, mit látnak.