Robots-termita cooperan para fabricar estructuras, sin recibir órdenes

Bioinspiración, mecanismos inspirados en la biología. En esa línea se están desarrollando numerosos proyectos tecnológicos.

En los últimos años, hemos visto desde un camuflaje inspirado en los calamares hasta sistemas de propulsión inspirados en los pingüinos o en las medusas. También ha habido alguna iniciativa para fabricar “enjambres” de robots –grupos de robots minúsculos capaces de actuar conjuntamente- imitadores de los insectos .

Ahora, científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) y del Institutyo Wyss de la Universidad de Harvard (EEUU) han tomado a las termitas como fuente de inspiración, para desarrollar un equipo robótico autónomo de construcción. El sistema –formado por diminutos robots- no necesita de supervisor ni de comunicación a distancia. Simplemente se autoorganiza para que todas sus piezas cooperen.

Se llama TERMES y, según un comunicado de la SEAS, demuestra que los sistemas colectivos de robots pueden construir estructuras complejas y tridimensionales sin necesidad de ningún comando central o de roles prestablecidos. Los resultados, obtenidos tras cuatro años de investigaciones, han sido presentados esta semana en la reunión anual de la AAAS. Además aparecen detallados en Science.

Estigmergia para organizarse

Los robots de TERMES pueden construir juntos torres, castillos y pirámides de ladrillos de espuma, todo de manera autónoma. Asimismo, son capaces de fabricar por sí mismos escaleras para llegar a los niveles más altos de sus propias construcciones, y añadir allí los ladrillos necesarios.

Pero, ¿cómo pueden hacerlo sin órdenes o control externo? La investigadora principal del proyecto, la profesora de ciencias de computación de la SEAS, Radhika Nagpal, explica: “La inspiración clave que nos dieron las termitas fue la idea de que, como grupo, se pueden hacer cosas realmente complicadas sin un supervisor. En segundo lugar, que se pueden hacer esas cosas sin discutir de manera explícita lo que se está haciendo, simplemente a partir de modificaciones en el entorno”.

La mayoría de proyectos de construcción humanos actuales son llevados a cabo por trabajadores organizados dentro de una jerarquía, señala por su parte otro de los investigadores, Justin Werfel, del Instituto Wyss. "Normalmente, al principio, se tiene un plan y un organigrama detallado sobre la ejecución. Además, hay un capataz que dirige y supervisa al equipo".

Pero en las colonias de insectos, esto no funciona así: “La reina no va dando instrucciones individuales. Cada termita desconoce lo que los otros están haciendo o la situación general del montículo que entre todas están levantando”, continúa Werfel.

En estos casos, el grupo funciona gracias a la estigmergia, esto es, a la colaboración a través del medio físico. En sistemas descentralizados, como las colonias de hormigas o de termitas, los diferentes componentes que conforman los grupos colaboran gracias a pautas o señales dejadas en el medio, como feromonas, acumulación de objetos o cualquier otro tipo de cambio físico, como la temperatura.

Este concepto fue introducido por Pierre-Paul Grassé, un estudioso de las hormigas, para explicar cómo se lograban realizar las tareas en insectos sociales, sin necesidad de planificación ni de un poder central. Y no sólo ha sido aprovechado por Nagpal y su equipo. En el terreno de los algoritmos de la inteligencia artificial también ha sido utilizado, concretamente para el desarrollo de los llamados “algoritmos colonia de hormiga” (ACO), que se utilizan para buscar las mejores rutas en grafos o imágenes.

Cómo funcionan

En el vídeo puede verse como funcionan los robots del equipo de Nagpal: cómo cooperan para levantar varios tipos de estructuras e incluso cómo se recuperan de cambios inesperados en las estructuras durante la construcción.

Cada robot ejecuta su propio proceso en paralelo con los demás, pero sin saber lo que hace el resto.

Así, si un robot se rompe o tiene que ser sacado del grupo, no afecta a los demás. Pero esta independencia también supone que unas mismas instrucciones puedan ser ejecutadas por cinco robots o por quinientos.

Por tanto, el sistema TERMES es una importante prueba del concepto de inteligencia artificial distribuida (campo de la IA dedicado al estudio de las técnicas para la coordinación y distribución de acciones en un entorno con múltiples agentes) y escalable (la escalabilidad es la habilidad de un sistema artificial para reaccionar y adaptarse sin perder calidad).

Trabajo pasado y aplicaciones futuras

En general, las investigaciones de Nagpal y sus colaboradores en el Self-Organizing Systems Research Group se centran en la creación de algoritmos distribuidos que permitan a grupos muy grandes de robots actuar como una colonia.

Gracias al trabajo conjunto entre ingenieros eléctricos y biólogos, el grupo ya había creado previamente un sistema de bajo coste bautizado como Kilobots, que permite testar el comportamiento colaborativo y sincronizado de enjambres robóticos.

Además, los científicos están contribuyendo con conocimientos de inteligencia artificial al proyecto RoboBees, una iniciativa inspirada en la biología de las abejas y en su comportamiento, que pretende trasladar características de estos animales a robots en miniatura, para hacer de ellos diminutas máquinas independientes.

En un futuro, los investigadores esperan que robots como los del equipo de termitas artificiales puedan ser destinados a labores diversas, como colocar sacos de arena para evitar inundaciones o llevar a cabo tareas simples de construcción en Marte.

Referencia bibliográfica:

Justin Werfel, Kirstin Petersen, Radhika Nagpal. Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction Team. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1245842.