8、小型机器人自组织系统：聚集与自组装的大规模实验

小型机器人自组织系统：聚集与自组装的大规模实验

1. 引言

纳米和微工程领域的科技突破促使机器人领域迈向极端小型化。几厘米大小的小型机器人能够进入大型机器人无法到达的环境，如消化道检查或复杂工业机械检测。进一步微型化到微观或纳米尺度，在众多领域有着更令人兴奋的潜力。

然而，小型化也带来了代价，这些机器人的计算、传感、驱动和通信能力可能极为有限。因此，需要一种协作方法，通过集体层面的感知和行动来完成任务。集体感知和行动通常在机器人比其运行环境小几个数量级，或者传感器运动能力有限的系统中出现。例如，在环境监测中，几厘米大小的传感器节点需要监测可能达数公里大小的环境，这就需要部署由数百个或更多节点组成的大规模系统。

大规模系统的控制方案可分为集中式和分布式。集中式控制由中央计算机执行控制算法，并向每个机器人发送精确指令，这种方式在理论上易于形式化，常能实现最优性能，但对通信带宽和中央控制单元的计算资源要求高，且扩展性有限，存在单点故障问题。分布式控制则在扩展性和鲁棒性方面表现出色，即使部分单元出现故障或故障，系统性能也能平稳下降，但设计和分析分布式机器人系统，尤其是由大量自主移动单元组成的系统，通常非常困难。

2. 自组织

自组织是解决大规模系统分布式控制问题的有效协调机制，尤其适用于资源受限的系统。自组织是指在没有外部指导的情况下，系统的低级组件通过多次交互形成全局模式，并利用系统固有的随机性。这些交互规则的执行无需明确参考全局模式，因此自组织策略具有极高的可扩展性。

自组织的例子包括机器人的聚集和自组装。聚集是自然界中促进生物个体之间相互作用和信息交换的有效机制，能使复杂的集体行为得以出现。机器人也可以通过随机相遇集体