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集群科学简介

warm Robotics

自组织集群行为广泛存在于自然界和人造网络当中,从自然界的蜂群、鱼群、鸟群到癌细胞转移;从互联网到无人机、无人艇,都是属于复杂系统中的自组织集群现象。随着当今社会和国家安全对于智能化、信息化要求的高度依赖,自组织集群研究作为物理学、机器人学、信息学、工程学等高度交叉的新兴学科,是物理体系中的动力学、工程学领域中的去中心化控制理论与信息领域中的信息网络深度结合,已经并将带来更多令人激动的基础研究(软物质理论、集群控制理论等)和广泛应用(智能集群系统、智能无人物流、无人机、无人船系统等)。

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本课题组,基于超大型LED屏作为可编程数字化虚拟环境平台,结合原创设计的环境耦合型机器人集群,为活性物质家族增加的一个新成员:机器人活性物质(Robotic Active Matter)。该系统攻克了传统的活性物质研究中难以解决但又十分重要的集群个体与环境相互耦合的难题,满足了活性物质个体感知环境的同时也可以改造环境的需要;并发现当机器人群体处于持续收缩的圆形资源场中时,通过调节环境恢复率和机器人的资源消耗率等参数,机器人群体能够涌现出类似于物质相的气态、固态、液态、玻璃态和堵塞态以及这些态的动态转变过程。该系统和研究工作为活性物质集群现象的研究提供了全新的研究思路。相关成果发表在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上,同时入选了“Editors' Suggestion”和“Featured in Physics”,并且被美国物理学会杂志APS Physics专题置顶报道。
由麻省理工学院、哥伦比亚大学、康奈尔大学和哈佛大学的研究人员共同完成的粒子机器人系统,可实现由相互独立的机器人松散连接而成,完成向目标光源运动、躲避障碍物、转移物体等集群任务。
布达佩斯厄特沃什大学研究团队使用了基于参数的进化策略的研究方法实现了无人机群通过自组织的方式在空中自主编队飞行,通过个体间的相互协调实现群体的自组织协同。
哈佛大学的研究团队以鱼为灵感设计的鱼群机器人,可以通过基于视觉的协同实现复杂的三维集体行为。展示了群体的动态阵列形成、搜索捕捉行为等群体同步性,聚集分散性等优秀自组织属性。

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研究领域

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集群自组织科学:研究集群行为的涌现,自组织集群的规则,集群行为的实现和控制
机器人集群与活性物质:利用独创的大型可编程环境平台和环境耦合型机器人集群,研究软物质的相变机理和现象、粒子群动力学、场驱动粒子系统等
自适应型集群系统:研究个体适应和系统适应的机理、复杂环境下的群体自适应策略
微型集群机器人与医疗应用:研究环境自适应型微型集群自组织机器人在医疗领域的应用

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