درس‌هایی از ازدحام روباتی و ازدحام زنبورهای عسل

تصویر: متقاعد کردن افراد به صورت فردی ممکن است بهترین راه برای برانگیختن آنها به تشخیص بهترِ جایگزین ها باشد. مایسکوت از طریق گتی ایماژ
 
شما یک رستوران جدید با غذای فوق العاده پیدا می کنید، اما وقتی در یک پیام گروهی به دوستان خود پیشنهاد می کنید ملاقاتی در آن جا داشته باشید، گزینه ملاقات در همان مکان قدیمی موافقت اکثریت را کسب می کند.
 
دفعه بعد، باید ترجیح دهید دوستان خود را یک به یک متقاعد کنید، نه این که به طور کلی با گروه تماس بگیرید.
 این زنبورها با ازدحام خود یک توده یا ماده خودگردان ایجاد می کنند که دارای توانایی های متعددی، تعبیه شده در درونش، است. تحقیقی که من و همکارانم با استفاده از گروهی از روبات ها انجام دادیم نشان می دهد که در مورد توزیع اطلاعات در طول زمان، داشتنِ استراتژی کمتر بیشتر است (یعنی داشتن چیزهای ضروری بهتر از داشتن چیزهای اضافی بیش از حد است) می تواند احتمال واداشتن گروه به انتخاب بهترین گزینه را افزایش دهد. نتایج ما می تواند توسعه روبات های میکروسکوپی را که در داخل بدن کار می کنند، آسان تر کرده و می تواند بر نحوه انتشار اطلاعات در رسانه های اجتماعی تأثیر بگذارد.
 
در مطالعه ازدحام روباتیِ ما، نحوه انتشار نظرات در جمعیت های بزرگ مورد بررسی قرار گرفت. ما دریافتیم که گروهی از افراد نا آگاه می توانند به باورهای منسوخ بچسبند و در صورت انتشار فوری اطلاعات در مورد گزینه های جدید به همه، نمی توانند جایگزین های بهتر را در پیش بگیرند. در عوض، هنگامی که افراد فقط یک به یک اطلاعات را به اشتراک می گذارند، جمعیت بهتر می توانند خود را با تغییرات تطبیق داده و به نفع بهترین گزینه به توافق برسند.
 

ساده نگه داشتن آن

در مطالعه ما، که در ژوئیه 2021 در مجله Science Robotics منتشر شد، ما گروهی از روبات های خود گردان را ایجاد کردیم که تصمیماتی جمعی را در مورد بهترین جایگزین های موجود می گیرند و در محیطی که با گذشت زمان تغییر می کند عمل می کنند. ما دریافتیم که تعداد کمتر بیشتر بود (یعنی داشتن چیزهای ضروری بهتر از داشتن چیزهای اضافی بیش از حد است): تعداد روبات ها با ارتباطات اجتماعی کاهش یافته - به این معنی که تعداد دیگر روبات هایی که می توانند با آنها ارتباط برقرار کنند کاهش یافته باشد – در مقایسه با گروه های متصل به جهان به طور مؤثرتری سازگار بودند. این امر با اعتقاد رایج در علم شبکه که ارتباطات بیشتر همیشه منجر به تبادل اطلاعات موثرتر می شود، در تضاد است. ما نشان می دهیم که شرایطی وجود دارد که عکس آن رخ می دهد.
 
قطر و ارتفاع هر کیلوبات در آزمایش ما کمتر از یک و نیم اینچ (3.8 سانتی متر) است و آنها با نور مادون قرمز ارتباط برقرار می کنند. (توضیح: کیلوبات (Kilobot) به گونه ای طراحی می شود که آزمایش الگوریتم های جمعی را بر روی صدها یا هزاران روبات در اختیار محققان روباتیک قرار دهد.)  ما 50 روبات را با رفتارهای بسیار ساده برنامه ریزی کردیم: حرکات تصادفی برای کشف محیط و قوانین اولیه رای گیری برای تبادل نظر. ازدحام روبات ها محیط ناشناخته ای را اسکن می کند و به صورت جمعی بهترین سایت را انتخاب می کند؛ به عنوان مثال، بهترین سایت مناسب برای ساخت سازه. هر روبات نظر خود را از اسکن های محیط خود ایجاد می کند و به طور منظم نظر یک همسایه تصادفی را بررسی می کند. اگر یک روبات نظر متضادی دریافت کند، با نظر سنجی از روبات های دیگر، نظر خود را باز نشانی می کند. این به گروه اجازه می دهد تا بدون به بن بست رسیدن به اجماع برسند.
   
تصویر: چندین ده دیسک پلاستیکی کوچک حاوی وسایل الکترونیکی و روی پایه های فلزی سیم روی یک سطح صاف و بدون ویژگی پخش شده اند. آزمایشات روی گروهی از روبات ها نشان داده است که تعاملات اجتماعی پراکنده در مقایسه با به اشتراک گذاشتن اطلاعات با همه اعضای یک گروه، می تواند گسترش اطلاعات تازه کشف شده را افزایش دهد.Andreagiovanni Reina ، CC BY-ND
 
سادگی رفتارهای فردی صرفاً یک مسأله راحتی در مطالعه ما نیست. این کلیدی برای ایجاد گروهی از روبات ها در آینده است. اینها شامل گروهی از روبات های بسیار کوچک مانند روبات های میکروسکوپی هستند که در بدن کار می کنند، روبات هایی با اجزای ساده مانند روبات های تجزیه پذیر زیست محیطی برای تمیز کردن اقیانوس و روبات های یک بار مصرف کم هزینه مانند آنهایی که ممکن است در مکان های فاجعه آسیب ببینند یا نابود شوند. ازدحام روبات ها با حداقل رفتارها همچنین می تواند گزینه ای مناسب برای روبات هایی باشد که بدون نظارت انسان در مکان های غیر قابل دسترسی دیگر کار می کنند.
زنبورهای عسل می توانند موادی چند منظوره - ساخته شده از بدن های جداگانه خود - ایجاد کنند که می تواند تغییر شکل دهد بدون این که یک هادی جهانی به همه آنها بگوید چه کار کنند.

طبیعت این قاعده را می داند

برای نوشتن الگوریتم هایی که روبات های ما را کنترل می کنند، ما مدل های ریاضی ای ساختیم که انتشار نظرات در جمعیت افراد دارای ارتباط اجتماعی و بی اطلاع را توضیح می دهد. این فرایند مشابه تصمیم گیری جمعی در سایر محیط ها، از جمله حیوانات و انسان ها است.
 
به طور خاص، الگوریتم ما از رفتار زنبورهای عسل اروپایی هنگامی که آنها به طور جمعی مکانی را برای ساختن لانه آینده خود انتخاب می کنند، الهام گرفته است. زنبورها به طور محلی با یک دیگر ارتباط برقرار کرده و پیام های رأی را با ارتعاشات رد و بدل می کنند. کولونی زنبورها بدون هیچ مرجع مرکزی تصمیم می گیرد.
 
تصمیمات جمعی مشابهی را می توان در گروه های ماهی مشاهده کرد، که به نظر می رسد قانون کمتر بیشتر است را می دانند. در واقع، تحقیقات اخیر نشان داده است که ماهی های تجمع کننده هنگامی که نیاز به جذب سریع اطلاعات جدید مثلاً در مورد منبع تهدید درک شده دارند، شبکه اجتماعی خود – یعنی تعداد ماهی هایی که به آنها توجه می کنند - را کاهش می دهند.
 

غافلگیر شد

با وجود یافتن یک قانون کمتر بیشتر است در طبیعت، ما انتظار نداشتیم که آن را در مطالعه مان در مورد ازدحام روبات ها بیابیم. ما صدها روبات را آزمایش می کردیم که یک مدل را بر اساس مشاهدات رفتار جمعی زنبورهای عسل در انتخاب یک مکان لانه، اجرا می کردند. این مدل به گروه اجازه می دهد تا تصمیماتی را اتخاذ کنند که ارزش گزینه را بر اساس میزان اخبار خوبی که دریافت می کنند، نشان می دهد چه این اخبار نشان دهنده یک سایت خوب برای ایجاد لانه باشد یا مرورهای مثبت در مورد محل های تأمین غذا. این بدان معناست که گروه نه تنها کیفیت نسبی گزینه ها را در نظر می گیرد، بلکه کیفیت مطلق و مجرد آنها را نیز در نظر می گیرد، به این معنی که آیا هر یک از گزینه ها به اندازه کافی خوب است.
 این که پیوندهای بین دو زنبور عسل چقدر کشیده می شود، اطلاعات مهمی است که بر عملکرد آنها به نفع کل گروه تأثیر می گذارد. این مربوط به کاری است که موجودات زنده - از جمله انسان - معمولاً انجام می دهند. به عنوان مثال، هنگام انتخاب محل غذا خوردن، اگر همه رستوران های باز غذاهایی با کیفیت پایین تر از استاندارد شما سرو کنند، برای شما مهم نیست که یک رستوران 5 درصد بهتر از رستوران های دیگر باشد. شما امروز بیرون غذا نمی خورید. اما اگر چند رستوران بسیار خوب باشند، انتخاب هر یک از این دو حتی اگر 5٪ تفاوت کیفیتی بین آنها وجود داشته باشد، رضایت بخش خواهد بود.
 
هنگامی که ما این را در ازدحام روبات ها پیاده کردیم، انتظار داشتیم که هر چه روبات ها از لحاظ اجتماعی بیشتر ارتباط داشته باشند، گروه بهتر با تغییرات محیطی سازگار خواهد شد. این همان چیزی است که در اکثر مدل های افراد شبکه ای پیش بینی و مشاهده می شود. اما ما عکس این موضوع را پیدا کردیم: هرچه ارتباط گروه کمتر بود، گروه روباتی ما بهتر به تغییر پاسخ می داد.
 
سپس ما یک مدل ریاضی ساختیم که سیستم را توصیف می کند و پدیده مشاهده شده را توضیح می دهد. تغییرات محیطی توسط گروه کوچکی کشف می شود. در یک شبکه متصل جهانی، گروه کوچک مجبور است با یک کار تقریباً غیر ممکن تلاش کند تا نظر ثابت شده اکثریت را وارونه کند، حتی گر چه به وضوح تغییرات محیطی جایگزین بهتری را ارائه می دهند. در عوض، هنگامی که افراد به طور پراکنده و تعداد اندکی با یک دیگر ارتباط برقرار می کنند، اقلیتی دارای نظر معتبر می توانند در مواردی که نظر گروه به اندازه نظر اقلیت قوی نیست، به راحتی جاذبه پیدا کرده و نظر کل گروه را تغییر دهند.
 

درس هایی برای شبکه های اجتماعی

اثر کمتر بیشتر است در همه موارد دوام نمی آورد. ما این پدیده را در شبکه هایی مشاهده کردیم که افراد از قوانین ساده پیروی می کنند و تغییر نظر دیگران آنی نیست، بلکه به زمان نیاز دارد. انسان ها، در زمینه های خاص، رفتار واکنشی ساده ای دارند که تفکر چندانی را شامل نمی شود و بنابراین ممکن است تحت پویایی های مشابه قرار گیرند.
 یک زنبور عسل می تواند فعالیت خود را با زنبورهای مجاور در کنار خود هماهنگ کند، اما مطمئناً نمی تواند مستقیماً با هیچ زنبور عسل در لبه دور توده هماهنگ کند.مردم در سراسر جهان از طریق رسانه های اجتماعی با یک دیگر ارتباط برقرار می کنند، که این بر انتشار نظرات در جمعیت های زیاد تأثیر می گذارد. درک چگونگی تغییر – و عدم تغییر - نظرات برای رویارویی با چالش های عصر دیجیتال بسیار مهم است.
 

درس هایی از زنبور عسل

 
تصویر: زنبورهایی که با هم به صورت یک جا کار می کنند. اوریت پلگ و جیکوب پیترز، CC BY-ND
 
در رابطه با درس هایی که گفتیم می توان از زنبور گرفت، من و همکارانم در یک سوله کوچک در میان یک علفزار آرام جمع شده ایم و قصد داریم سوئیچ را بچرخانیم تا روشی به ظاهر پیش پا افتاده را شروع کنیم: استفاده از موتور برای تکان دادن تخته چوبی. اما در زیر این تخته، ما دسته ای متشکل از حدود 10،000 زنبور عسل داریم که در یک مخروط تپنده با شکوه به هم چسبیده اند.
 
همان طور که آخرین نگرانی هیجان زده را به اشتراک می گذاریم، ازدحام، به معنای واقعی کلمه یک تکه از مواد زنده، شروع به حرکت به راست و چپ می کند، و مانند ژله تکان می خورد.
 
چه افرادی از گروه در ذهن های واقعی خود، به گونه ای حرکت می کنند که گروه زنبور عسل بلرزد؟ من و همکارانم در حال مطالعه این ازدحام ها هستیم تا درک خود را از این گرده افشان های اساسی بیشتر کنیم و همچنین ببینیم چگونه می توانیم از این درک در دنیای مواد روباتیک استفاده کنیم.
هنگامی که افراد به طور پراکنده و تعداد اندکی با یک دیگر ارتباط برقرار می کنند، اقلیتی دارای نظر معتبر می توانند در مواردی که نظر گروه به اندازه نظر اقلیت قوی نیست، به راحتی جاذبه پیدا کرده و نظر کل گروه را تغییر دهند.  
تصویر: ازدحام زنبور عسل با اشکال مختلف شاخه سازگار است. اوریت پلگ و جیکوب پیترز ، CC BY-ND
 

بسیاری از زنبورها یک ازدحام ایجاد می کنند

ازدحام در مطالعه ما به عنوان بخشی از چرخه تولید مثل کولونی های زنبور عسل اروپایی رخ می دهد. هنگامی که تعداد زنبورها بیش از منابع موجود است، معمولاً در بهار یا تابستان، یک کولونی به دو گروه تقسیم می شود. یک گروه و یک ملکه در جستجوی یک مکان دائمی جدید پرواز می کنند در حالی که بقیه زنبورها در عقب مانده اند.
 
در طول این تلاش، زنبورهای در حال جا به جایی موقت یک گروه بسیار سازگار را تشکیل می دهند که می تواند از شاخه درختان، سقف ها، حصارها یا ماشین ها آویزان شود. در حالی که معلق هستند، هیچ لانه ای برای محافظت از خود در برابر عوامل مختلف ندارند. دور هم جمع شدن به آنها اجازه می دهد تا اتلاف گرما در محیط سردتر خارج را به حداقل برسانند. آنها همچنین باید به صورت بلادرنگ خود را با تغییرات دما، باران و باد وفق دهند - همه این ها می تواند حفاظت شکننده ای را که به عنوان یک واحد مشترک دارند، از بین ببرد.
 
اندازه این دسته به مراتب بزرگ تر از اندازه یک زنبور عسل است. یک زنبور عسل می تواند فعالیت خود را با زنبورهای مجاور در کنار خود هماهنگ کند، اما مطمئناً نمی تواند مستقیماً با هیچ زنبور عسل در لبه دور توده هماهنگ کند.
 
بنابراین چگونه آنها می توانند پایداری مکانیکی را در برابر چیزی مانند باد شدید حفظ کنند - آزمایشی که نیاز به هماهنگی تقریباً همزمان در کل گروه دارد؟
 گروه نه تنها کیفیت نسبی گزینه ها را در نظر می گیرد، بلکه کیفیت مطلق و مجرد آنها را نیز در نظر می گیرد، به این معنی که آیا هر یک از گزینه ها به اندازه کافی خوب است.همکارانمJacob Peters ، Mary Salcedo ، L. Mahadevan  و من مجموعه ای از آزمایشات را برای پاسخ به این سؤال انجام دادیم - که ما را به تکان دادن عمدی گروه باز می گرداند.
 

اقدامات فردی، پاسخ کل ازدحام

 
تصویر: در حال بررسی تنظیمات آزمایشی، با ازدحام هرمی که از پایین تخته آویزان شده است. اوریت پلگ و جیک پیترز ، CC BY-ND
 
هنگامی که ما گروه را در امتداد محور افقی آن تکان دادیم، زنبورها شکل دسته خود را تنظیم کردند و در عرض چند دقیقه تبدیل به یک مخروط پهن تر و پایدارتر شدند. با این حال، هنگامی که حرکت عمودی بود، شکل ثابت می ماند تا زمانی که به نیروی بحرانی برسد که باعث از هم گسیختگی دسته می شود.
 زنبورها به طور محلی با یک دیگر ارتباط برقرار کرده و پیام های رأی را با ارتعاشات رد و بدل می کنند. کولونی زنبورها بدون هیچ مرجع مرکزی تصمیم می گیرد.چرا زنبورها به لرزش افقی پاسخ دادند، اما به لرزش عمودی پاسخ ندادند؟ همه چیز به چگونگی ایجاد پیوندی بر می گردد که زنبورها با "گرفتن دست" های کشیده هم به دست می آوردند.
   
تصویر: زنبورهای عسل اساساً دست به دست هم داده اند تا ساختار متراکم ازدحام را ایجاد کنند. این که پیوندهای بین دو زنبور عسل چقدر کشیده می شود، اطلاعات مهمی است که بر عملکرد آنها به نفع کل گروه تأثیر می گذارد. ویشینش/Shutterstock.com
 
به نظر می رسد تکان عمودی به اندازه تکان دادن افقی این پیوندهای جفت را مختل نمی کند. با استفاده از یک مدل محاسباتی، ما نشان دادیم که پیوندهای بین زنبورهای عسل که در نزدیکی محل اتصال گله به تخته قرار دارند بیشتر از پیوندهای بین زنبورها در نوک دور دسته است. زنبورها می توانند این مقادیر مختلف کشش را حس کنند و از آنها به عنوان یک سیگنال جهت حرکت به سمت بالا و گسترش ازدحام استفاده کنند.
 
به عبارت دیگر، زنبورها از مکان هایی که پیوندها کمتر کشیده می شوند، به مکان هایی که بیشتر کشیده می شوند، حرکت می کنند. این واکنش رفتاری ثبات جمعی ازدحام را به طور کلی با هزینه افزایش بار متوسط ​​تجربه شده توسط یک زنبور عسل بهبود می بخشد. نتیجه یک نوع "نوع دوستی مکانیکی" است، زیرا یک زنبور عسل به نفع منافع بیشتر برای ازدحام، فشار را تحمل می کند.
 

دروس مهندسی که توسط زنبورهای عسل تدریس می شود

به عنوان یک فیزیکدان آموزش دیده که رفتار حیوانات را مطالعه می کند، من شیفته این نوع راه حل تکامل یافته در طبیعت هستم. شگفت انگیز است که زنبورهای عسل می توانند موادی چند منظوره - ساخته شده از بدن های جداگانه خود - ایجاد کنند که می تواند تغییر شکل دهد بدون این که یک هادی جهانی به همه آنها بگوید چه کار کنند. هیچ کس مسئول نیست، اما با هم آنها دسته را دست نخورده نگه می دارند.
 
اگر مهندسان بتوانند آن راه حل ها و درس ها را از طبیعت بگیرند و آنها را در ساختارها بکار ببرند، چطور؟ آیا می توانید به جای یک دسته زنبورهای وزوز کننده، مجموعه ای از روبات های وزوز کننده را تصور کنید که برای ایجاد ساختارهای سازگار به صورت بلادرنگ به یک دیگر چسبیده باشند؟ من می توانم پناهگاه هایی را در نظر بگیرم که در برابر بلایای طبیعی مانند طوفان به سرعت مستقر می شوند، یا مصالح ساختمانی ای که می توانند ارتعاشات زلزله را حس کنند و به همان شیوه ای واکنش نشان دهند که این دسته های آویزان به شاخه در مقابل باد واکنش نشان می دهند.
 
در اصل، این زنبورها با ازدحام خود یک توده یا ماده خودگردان ایجاد می کنند که دارای توانایی های متعددی، تعبیه شده در درونش، است. ازدحام می تواند بر اساس میزان کشش پیوندهای زوج، اطلاعات مربوط به محیط اطراف را حس کند. این می تواند محاسبه شود، به این معنا که مشخص شود که کدام مناطق کشش پیوند بیشتری دارند. و می تواند عمل کند، به این معنی که در جهت حرکت به سمت کشش بیشتر حرکت کنید.
 تعاملات اجتماعی پراکنده در مقایسه با به اشتراک گذاشتن اطلاعات با همه اعضای یک گروه، می تواند گسترش اطلاعات تازه کشف شده را افزایش دهد.این خواص برخی از آرزوهای دیرینه در زمینه مواد چند منظوره و مواد روباتیک است. ایده این است که روبات های مقرون به صرفه ای را ترکیب کنید که هر کدام دارای حداقل لازم تعداد قطعات و حسگرهای مکانیکی هستند، مانند بلوک های  M. (M-Block ها مکعب های کوچکی هستند (به ضلع 5 سانتیمتر) که هیچ محرک خارجی ندارند، و با این حال قادر به حرکت و حتی پرش هستند. آنها این کار را با چرخش یک توده داخلی با سرعت زیاد انجام می دهند و سپس آن جرم را به طور ناگهانی متوقف می کنند، که اینرسی را به مکعب منتقل می کند و باعث حرکت آن می شود.) آنها با هم می توانند محیط محلی خود را حس کنند، با روبات های همسایه تعامل داشته و تصمیم خود را در مورد مکان بعدی حرکت خود بگیرند. همان طور که هیرو، روباتیک جوان فیلم دیزنی "قهرمان بزرگ 6" می گوید: "کاربردهای این فناوری نامحدود است."
 
در حال حاضر ، این هنوز هم علمی تخیلی است. اما هر چه محققان از راه حل های طبیعی زنبورهای عسل بیشتر بدانند، به تحقق این رؤیا نزدیک تر می شویم.
 
منبع: آندریاگیوانی رینا، Université Libre de Bruxelles (ULB)، اوریت پلگ، University of Colorado Boulder