Thuật toán lấy cảm hứng từ loài ong giúp điều khiển đàn robot

Từ việc tìm kiếm trong các khu vực bị thiên tai và ứng phó với sự cố tràn hóa chất đến việc giám sát các hệ sinh thái mong manh, các đàn robot trong tương lai có thể phải hoạt động ở những nơi mà việc điều khiển trực tiếp của con người khó khăn hoặc nguy hiểm.

Để hoạt động tự chủ, robot phải có khả năng cùng nhau quyết định vấn đề nào cần giải quyết và nên đi đâu tiếp theo. Vấn đề nằm ở chỗ một bầy robot tự hành phải liên tục trao đổi thông tin để quyết định nên đi đâu, tìm kiếm khu vực nào hoặc xử lý nhiệm vụ nào trước.

Thuật toán hỗ trợ đàn robot tự hành ra quyết định dựa theo cách của bầy ong.

Nhưng nếu một robot bị hỏng, cảm biến cho kết quả sai hoặc thông tin liên lạc bị can thiệp, cả bầy có thể bị kéo theo một quyết định sai.

Các nhà khoa học quốc tế do nhà khoa học máy tính Andreagiovanni Reina tại Đại học Konstanz (Đức) dẫn đầu đã phát triển một cơ chế ra quyết định lấy cảm hứng từ cách đàn ong phối hợp để lựa chọn tổ mới.

Phương pháp này giúp các robot hoạt động theo bầy có thể nhanh chóng đạt đồng thuận, ngay cả khi một phần thông tin mà chúng nhận được bị sai lệch hoặc không đáng tin cậy.

Nhóm nghiên cứu so sánh hai cơ chế. Với direct-switch, robot lập tức thay đổi lựa chọn khi nhận được thông tin trái ngược với ý kiến của mình. Cách này đơn giản và ít tốn tài nguyên tính toán nhưng có thể khiến cả bầy liên tục đổi ý, không hình thành được đa số rõ ràng.

Cơ chế thứ hai, gọi là cross-inhibition, hoạt động khác biệt: khi nhận thông tin mâu thuẫn, robot không lập tức đổi quyết định mà tạm thời chuyển sang trạng thái “chưa cam kết”. Sau đó, nó mới tiếp nhận thêm bằng chứng trước khi lựa chọn phương án mới.

Ý tưởng này bắt nguồn từ đàn ong. Khi tìm tổ mới, những con ong ủng hộ các địa điểm khác nhau có thể phát tín hiệu ức chế đối thủ. Cơ chế cạnh tranh này giúp đàn ong tránh bị chia rẽ quá lâu và cuối cùng thống nhất về một địa điểm.

Đàn ong khi tìm tổ mới sở hữu một cơ chế “winner-take-all” để ra quyết định cuối cùng.

Kết quả thử nghiệm cho thấy cross-inhibition thường giúp bầy robot đạt được quyết định nhanh và rõ ràng hơn khi phải đối mặt với thông tin nhiễu. Ưu thế này vẫn tồn tại khi số lượng robot tăng lên hoặc khi chúng phải lựa chọn giữa nhiều phương án thay vì chỉ hai lựa chọn.

Đáng chú ý, các nhà nghiên cứu phát hiện một lượng nhiễu vừa phải đôi khi còn giúp hệ thống đưa ra quyết định tốt hơn. Thông tin không đáng tin cậy có thể ngăn bầy robot nhanh chóng “chốt” nhầm phương án kém tối ưu.

Cơ chế tương tự cũng xuất hiện trong tự nhiên, từ mạng lưới neuron trong não đến các mạng điều hòa phân tử trong tế bào. Tất cả đều có chung nguyên lý “winner-take-all”: những lựa chọn cạnh tranh ức chế lẫn nhau cho đến khi một lựa chọn chiếm ưu thế.

Trong tương lai, nguyên lý này có thể giúp các bầy robot tự hành phối hợp tốt hơn trong những môi trường nguy hiểm như tìm kiếm người trong vùng thiên tai, xử lý sự cố hóa chất hoặc giám sát hệ sinh thái, nơi con người khó trực tiếp điều khiển từng robot.

Đàn robot tự hành mô phỏng nguyên tắc chia sẽ thông tin của đàn ong để ra quyết định tập thể.