Những robot thuyền nhỏ xây dựng các cấu trúc nổi

Hầu hết mọi người nghĩ về bờ sông là rìa của thành phố. Một nhóm các nhà nghiên cứu của MIT coi đó là một công trường xây dựng năng động, giống như trò chơi Lego. Hệ thống mới của họ, được gọi là “FloatForm”, là một đàn thuyền robot vuông nhỏ tự lắp ráp thành các cấu trúc lớn hơn trên mặt nước, tách ra và lắp ráp lại thành một cấu trúc mới, tất cả đều với sự chỉ đạo tối thiểu của con người. Mỗi robot, có kích thước bằng một chiếc đĩa ăn với cạnh 21 cm, là một con tàu khép kín với bộ đẩy, cảm biến và chốt từ tính riêng. Cùng với nhau, chúng gợi mở một tương lai trong đó cơ sở hạ tầng nổi có thể trở nên thích ứng hơn: một nền tảng tạm thời sau trường hợp khẩn cấp, một khu chợ trên kênh đào, hoặc một sân khấu xuất hiện cho một lễ hội và biến mất khi đám đông ra về. Bà Daniela Rus, Giáo sư Panasonic về Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính tại MIT và Giám đốc Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo (CSAIL) của MIT, cho biết: “Dự án FloatForm của chúng tôi hình dung một tương lai nơi bờ sông trở thành một phần mở rộng có thể lập trình của thành phố, nơi các thuyền tự hành có thể tự tổ chức thành cầu, nền tảng và các cấu trúc hữu ích khác theo yêu cầu. Loại robot phân tán này mở ra những khả năng mới cho di chuyển, ứng phó khẩn cấp, không gian công cộng và cơ sở hạ tầng trên mặt nước”. Ông Wei Wang, tác giả chính của một bài báo mới về dự án và là cựu nhà khoa học nghiên cứu của MIT, hiện là người đứng đầu Phòng thí nghiệm Robot Hàng hải tại Đại học Wisconsin ở Madison, cho biết: “Với FloatForm, chúng tôi về cơ bản đang biến các bề mặt nước tĩnh thành các không gian động, có thể lập trình. Hãy tưởng tượng một môi trường đô thị nơi không gian công cộng không cố định, mà có thể tự động mở rộng, thu hẹp hoặc cấu hình lại theo yêu cầu”. Ông Alejandro Gonzalez-Garcia, cựu nhà nghiên cứu tại MIT CSAIL và Senseable City Lab, cho biết: “Chúng tôi coi đó là việc hình thành cơ sở hạ tầng trên mặt nước, sử dụng một hệ thống mô-đun để tạo ra một hệ thống lớn hơn. Nếu có trường hợp khẩn cấp, bạn có thể tạo ra một cây cầu mới để giảm ùn tắc giao thông trong thành phố. Hoặc bạn có thể tạo ra các khu chợ nổi và sân khấu nổi. Nếu bạn muốn một thành phố đáng sống hơn, bạn cũng muốn sử dụng mặt nước”. Công trình truy cập mở, được công bố hôm nay trên tạp chí Nature Communications, đến từ các phòng thí nghiệm của Rus và Carlo Ratti, giáo sư thực hành công nghệ đô thị và quy hoạch tại MIT và giám đốc Senseable City Lab, và phát triển từ Roboat, dự án chung của họ với Viện Giải pháp Đô thị Tiên tiến Amsterdam đã đưa các tàu tự hành cỡ lớn vào các kênh đào của Amsterdam. Các kênh đào đó từng vận chuyển hàng hóa của thành phố; ngày nay, chúng chủ yếu vận chuyển khách du lịch. Ông Niklas Hagemann, sinh viên tốt nghiệp kiến trúc của MIT, thành viên CSAIL và cựu nhà nghiên cứu của Senseable City Lab, người đã làm việc trong dự án từ những giai đoạn đầu, cho biết: “Chúng tôi đã khám phá xem liệu các kênh đào có thể được sử dụng để thu gom rác thải, hoặc để vận chuyển, để giảm bớt một số áp lực trên đường bộ trở lại mặt nước hay không. Các khu vực đô thị đang trở nên đông đúc hơn, vậy liệu bạn có thể mở rộng không gian công cộng ra mặt nước hiện đang bị sử dụng kém hiệu quả không?” FloatForm thu nhỏ tầm nhìn đó xuống quy mô mặt bàn để trả lời một câu hỏi khó hơn: Làm thế nào để hàng chục, và cuối cùng là hàng nghìn, robot nổi tự tổ chức? Bài học từ bè kiến Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy câu trả lời trong sinh học. Kiến lửa nổi tiếng sống sót qua lũ lụt bằng cách liên kết cơ thể của chúng thành những chiếc bè sống, không có con đầu đàn nào điều khiển việc lắp ráp. Mỗi con kiến tuân theo các quy tắc cục bộ đơn giản, và một cấu trúc kiên cường xuất hiện. Ông Gonzalez-Garcia cho biết: “Mỗi con kiến là một tác nhân độc lập. Chúng tôi muốn mỗi robot có khả năng riêng, giống như cách đàn kiến tạo thành bè.” Hầu hết các hệ thống robot tự lắp ráp hiện có, trên mặt nước và các nơi khác, đều dựa vào một máy tính trung tâm điều khiển mọi chuyển động. Cách tiếp cận này dễ bị lỗi tại một điểm duy nhất và khả năng mở rộng kém: Phép tính lập kế hoạch tăng lên khi thêm robot, và đàn robot phải lắp ráp tuần tự, với hầu hết các robot không hoạt động trong khi chờ đến lượt. FloatForm đã thay đổi sự cân bằng này. Một bộ lập kế hoạch trung tâm nhẹ nhàng chỉ can thiệp một cách hạn chế, gán cho mỗi robot một vị trí cuối cùng để hoàn thiện cấu trúc lưới, một mức độ chính xác hình học mà các phương pháp phân tán thuần túy khó đảm bảo. Mọi thứ khác, bao gồm điều hướng đến hình dạng mục tiêu, tránh va chạm và thích ứng với nhiễu loạn, đều chạy trên chính các robot, chúng phối hợp bằng cách trao đổi vị trí với các robot lân cận trực tiếp. Toàn bộ đàn robot di chuyển cùng một lúc. Sự song song đó là điều làm nên sự khác biệt của công trình. Độ phức tạp lập kế hoạch của cách tiếp cận FloatForm chỉ phụ thuộc vào các robot lân cận cục bộ, không phải tổng kích thước của đàn robot. Gonzalez-Garcia cho biết: “Điều chúng tôi đang cố gắng làm là có sự can thiệp trung tâm tối thiểu và khiến tất cả chúng di chuyển cùng một lúc”. Trong các thí nghiệm tại MIT, một đội gồm tám robot đã liên tục tập hợp từ các vị trí ngẫu nhiên thành một hình dạng mục tiêu, gắn kết thành một cấu trúc cứng nhắc, tách rời theo lệnh, lắp ráp lại thành một cấu hình