[論文レビュー] Particle Computation: Designing Worlds to Control Robot Swarms with only Global Signals

Aaron T. Becker, Erik D. Demaine+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2014

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、障害物の配置を設計することで、複雑な計算と再構成を可能にする、グローバルな力場信号のみを用いた大規模なシンプルロボット群の制御フレームワークを提案する。運動計画問題がPSPACE完全であることを証明し、重力駆動の粒子移動を用いた再構成可能ハードウェアプラットフォームを用いて、行列の置換、絶対エンコーダ、二値論理ゲートの実装を実証する。

ABSTRACT

Micro- and nanorobots are often controlled by global input signals, such as an electromagnetic or gravitational field. These fields move each robot maximally until it hits a stationary obstacle or another stationary robot. This paper investigates 2D motion-planning complexity for large swarms of simple mobile robots (such as bacteria, sensors, or smart building material). In previous work we proved it is NP-hard to decide whether a given initial configuration can be transformed into a desired target configuration; in this paper we prove a stronger result: the problem of finding an optimal control sequence is PSPACE-complete. On the positive side, we show we can build useful systems by designing obstacles. We present a reconfigurable hardware platform and demonstrate how to form arbitrary permutations and build a compact absolute encoder. We then take the same platform and use dual-rail logic to build a universal logic gate that concurrently evaluates AND, NAND, NOR and OR operations. Using many of these gates and appropriate interconnects we can evaluate any logical expression.

研究の動機と目的

• マイクロまたはナノスケールのロボット群を、電磁界や重力場などのグローバル入力信号のみで制御する課題に対処すること。
• 均一な制御入力下でのこのようなロボット群の運動計画の計算複雑度を調査すること。
• 行列の置換やブール論理計算などの複雑なタスクを可能にする、障害物を組み合わせた人工的環境を設計すること。
• 重力駆動の粒子移動を用いた再構成可能ハードウェアプラットフォームを用いて、これらのシステムの実装を実証すること。

提案手法

• すべてのロボットが同じグローバルコマンド（例：上、右、下、左に移動）を受け取り、障害物や他のロボットに当たるまで移動する2次元グリッドモデルを用いる。
• 一方向のバルブ、ラッチ、論理ゲートとして機能する障害物配置を設計し、ロボットの流れを制御し、計算を可能にする。
• 二値論理（デュアルレール論理）を採用し、各論理値を2つの粒子で表現することで、AND、NAND、OR、NOR演算を同時に評価可能にする。
• 4つのグローバルコマンドを用いて、任意の数のロボットを任意の目的の配置に再配置する行列の置換システムを構築する。
• 保存的論理の原則に従い、粒子が生成されたり消失したりしないようにする逆転可能論理回路を構築する。
• ステンレスおよびナイロンベアリングを用いた傾き調節可能なMDFグリッド上に物理的ハードウェアプロトタイプを構築し、重力によって駆動する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバル信号によって制御されるロボット群の運動計画の計算複雑度は何か？
• RQ2 人工的障害物配置を用いることで、グローバルコマンドのみでロボット群の任意の再構成が可能か？
• RQ3 このような障害物設計は、ブール論理演算などのユニバーサル計算をサポートできるか？
• RQ4 個々の制御が制限され、粒子のずれが生じる可能性がある状況でも、信頼性の高いエラーのない計算を達成する方法は何か？
• RQ5 実世界のマイクロロボット環境にこのようなシステムを実装する際の実用的制限および設計制約は何か？

主な発見

• 与えられた初期ロボット配置を、グローバルコマンドを用いて所望の目的配置に変換できるかどうかを決定する問題は、PSPACE完全であることが証明された。
• 任意サイズの行列の置換は、わずか4つのグローバルコマンドで達成可能であり、ロボット群の効率的再構成が可能である。
• 重力駆動のステンレスおよびナイロンベアリングを用いた物理的ハードウェアプラットフォームが、行列の置換およびデュアルレール論理ゲートを成功裏に実証した。
• 同じコマンドシーケンスを用いて、デュアルレール論理ゲートがAND、NAND、OR、NOR演算を同時に実行可能であることを実装した。
• 封鎖された迷路型論理回路では、プロトタイプが信頼性の高い動作を示したが、置換システムにおける長い開放パスは、粒子が経路から逸れる可能性があり、エラーを引き起こす傾向にあった。
• 本システムにより、絶対エンコーダとユニバーサル論理ゲートの構築が可能となり、最小限の制御入力で人工的環境が複雑な計算を実行できることを示した。