|
 |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
116832 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Nagy Máté |
| magyar cím |
Galambcsapat vezetési és irányítási elveinek kutatása és alkalmazása csoportosan repülő robotokhoz |
| Angol cím |
Leadership and control in pigeon flocks as bio-inspiration for collective flying robots |
| magyar kulcsszavak |
döntéshozás, hierarchia, csoportstruktúra, bioinspiráció, kollektív robotika |
| angol kulcsszavak |
decision-making, hierarchy, organization-structure, bio-inspiration, collective robotics |
| megadott besorolás |
| Biológiai fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 70 % | | Etológia (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma) | 30 % | | Ortelius tudományág: Állatetológia |
|
| zsűri |
Informatikai–Villamosmérnöki |
| Kutatóhely |
Biológiai Fizika Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| projekt kezdete |
2016-02-01 |
| projekt vége |
2017-01-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
0.000 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
0.00 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A természet izgalmas példák sorait mutatja a csoportos viselkedésnek, mely során az egyedek együttműködnek és kölcsönhatnak egymással. A tervezett kutatásom során a csoportos döntéshozás irányítási módjait fogom feltárni - madárcsapat mozgását vizsgálva, mint modelrendszert -, valamint a kapott elveket fogom alkalmazni mesterseges rendszerek, robotokból álló raj hatékony irányítására.
Élőlények csoportos mozgása kiváló lehetőségét nyújt a csoportos döntéshozás tanulámonyozására. A csoport tagjai általában előnyökre tesznek szert azáltal, hogy együtt vannak (hőháztartás, energetika vagy a ragadozók támadása során). Mégis a társas együttélés sok előnye a közös tudás összeadódásának és az egyedek együttes képességeinek köszönhető.
Postagalambokon végzett korábbi munkám egy bonyolult, hierarchikus vezető-követő rendszer mutatott ki, azt a kérdést vetve fel, hogyan hat a vezetők befolyásolása az rendszer egészére? Egy olyan miniatűr, távirányítható és/vagy előre programozható eszköz fejlesztését tervezem, mely a viselkedés meghatározására is alkalmas valamint jelzés küldhetó vele a betanított galamb számára, hogy forduljon jobbra vagy balra. Így a csoport egy egyedének mozgásának irányításával az információterjedés tanulmányozása korábban nem lehetséges mértékben válik lehetővé. További lehetőség a csoport teljesítményének vizsgálatára, hogy a csoport mozgását a vezetőt további még pontosabb -, vagy éppen ellenkezőleg, téves – információkkal ellátva tanulmányozzuk.
A galambcsapatok kutatásakor felfedezett elveket alkalmazva repülő robotokra a lehetőségek tárháza nyílik meg, a mentőakciók során az automatikus megfigyeléstől a futótüzek önműködő felismeréséig.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Tervezett kutatásomban a galambcsapatok többszintű vezetési hierarchiájának az elveit szándékozom feltárni, és ezek az elveket alkalmazni repülő robotokraj irányítására. Több robot együttes repülése nagy előnyökkel jár, megvalósítható velük automatikus megfigyelés vagy akár időleges mobil hálózat kiépítése mentőakciókhoz, de a lehetőségek spektruma még tágabb, ha azt is figyelembe vesszük, hogy az irányítási elveket más sok robotos rajokra is alkalmazzuk (pl. nano-robotok rajának orvosi alkalmazása a távoli jövőben).
A pályázat célkitűzése a vezetés és a csapatirányítás mechanizmusainak feltárása csoportos mozgás során. Postagalambokon (Columba livia) tervezem a kísérleti méréseket, új kísérleti és adatelemzési módszereket fogok kidolgozni a vezetési rendszerük elemzéséhez, és olyan általános elvekre fogok rávilágítani, melyek mind természetes, mind mesterséges rendszerekre alkalmazhatóak. A fő célom annak vizsgálata, hogyan reagál a csapat a vezetőinek célirányosan megváltoztatott mozgására, és hogy a megismert elveket valós repülő robotrajra alkalmazzam, így nyerve irányítást a csoport egésze felett a saját belső vezetési hálózata által. Célom eléréséhez a csapatirányítás elveit modellezéssel is vizsgálni fogom, valamint az állatokon végzett kutatás technológiai hátterét annak az eszköznek a fejlesztése fogja adni, mellyel a mozgás irányításához szükséges jelzések küldhetőek. Ezáltal válik majd lehetővé a madárcsapat vezetőinek direkt irányítása. Az állatközösségek hatékony együttműködését lehetővé tevő általános szabályszerűségek megértéséhez alapvető fontosságú a csoport irányításában a vezetők szerepének megértése.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás célja a vezetési hálózat dinamikájának közvetlen manipulációval történő kísérleti vizsgálata galambcsapatok esetén, és ugyanezeknek a megismert elveknek a használata valós önállóan repülő robotrajra. Multidiszciplinaritásának köszönhetően ez a kutatás sokféle hasznosíthatóságot tesz lehetővé.
A kísérleti vizsgálat tervezett módszere alkalmazható az állatviselkedés nagyskálájú kvantitatív tanulmányozására más hasonló vagy közeli területen. A kívánt elfordulás tanításához olyan teljesen automatikusan működő rendszert dolgozok ki, mely felismeri a vizsgált egyed adott viselkedését és ennek függvényében valós idejű válaszra is lehetőséget nyújt inger vagy jutalom adásával. A módszer alkalmazható akár az állattenyésztésben automatikus megfigyelésre vagy az állattartás minőségének javítására.
A vezetők megváltoztatott viselkedésének a csapatra gyakorolt hatásának vizsgálatához új módszerek szükségesek, amikkel a vezetési hálózat időleges átrendeződései mérhetőek. Ezeket az új módszereket tervezem kidolgozni a rendszer egészének tanulmányozására, valamint a kulcsegyedek és kulcsesemények meghatározására. A kidolgozott új módszer alkalmazható lesz más területeken is, mint például vállalatok vezetési hálózatában történő kulcsesemények vagy változások felismerésére.
Bár a tervezett kutatás főként alapkutatás, hosszabb távon cél ipari együttműködéssel valósulhat meg a környezeti megfigyelés és mentőakciók megfigyeléssel történő támogatása.
Egyre olcsóbbá és megbízhatóbbá válnak az autonóm robotok, így egyre több cég próbálkozik ezek használatával önműködő megfigyelésre, felderítésre vagy akár szállításra. Ezen repülő robotoknak nemcsak egymással kell tudniuk együttműködni, de más – akár eltérő célokkal rendelkező –robotokkal is, amikkel találkoznak. Ezért égető szükség van olyan beépített rendszer kidolgozására, amivel kommunikálni tudnak és ami folyamatos ütközésmentes együtt repülést tesz lehetővé. Madarak képesek hatalmas méretű csapatokban repülni, így az általuk alkalmazott megoldások megértése hatékony válasz lehet a robotikai rendszerek esetén is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Többezer madár alkotta raj mintegy varázsütésre egyszerre fordul az összehangoltság bonyolult rendszerét mutatva. De hogyan hozzák meg az egyes madarak pillanatról pillanatra döntésüket, hogy merre forduljanak? Hogyan befolyásolják a vezetők a csoport egészének viselkedését? Irányíthatunk egy csoport pusztán pár tagján keresztül? Eközben számtalan területet fognak forradalmasítani a robotrajok. Használhatóak a madarak viselkedését leíró elvek a robotok programozására? Ezek a fő kérdések, amik foglalkoztatnak és amiket vizsgálni fogok. A legújabb előrelépések, miniatürizáció, technológiai fejlesztések most teszik lehetővé a válaszok megtalálását.
Hogyan irányítható hatékonyan egy autonóm robotraj? A galambcsapatok vizsgálatával feltárt elveket alkalmazva repülő robotokra új lehetőségek sokasága nyílik meg, a mentőakciók során a felderítéstől az automatizál mezőgazdasági felügyeletig.
A tervezett kutatás hatással lesz nemcsak az állatviselkedés tudományára és a robotikai alkalmazásokra, mivel az állat- és embercsoportok döntéshozási mechanizmusainak hasonlóságai nyilvánvalóak. Gondoljunk csak a leghétköznapibb emberi csoportos döntésekre (a tőzsdétől egy baráti társaság programjáig). Az állatcsoportokban a tagok a másodperc tört része alatt képesek szavazni és dönteni a lehetséges alternatívák között, és mindezt direkt kommunikáció nélkül. Az emberek nagyon összetett módokon hathatnak kölcsön, melyek mind befolyásolják a csoport együttes viselkedését. Mivel az állatok egyszerübb és mégis robosztusabban működő elvek szerint hozzák meg a döntésüket, ezek tanulmányozása az emberek döntési mechanizmusa mögött meghúzódó általános törvényszerűségekre is fényt deríthetnek.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Nature provides many fascinating examples of collective behaviour, during which individuals act together and react to one another. My research aims to elucidate the control of collective decision-making using bird flock movement as a model system, and to apply the principles uncovered to developing optimal control algorithms for artificial systems, such as robotic flocks.
The collective motion of animal groups presents an excellent model for studying collective decision-making. Individual members obtain fitness benefits from staying together, such as thermoregulatory, energetic, or anti-predatory advantages.
However, many of the benefits of social living derive from the pooling of knowledge and skills from multiple individuals.
My previous work on homing pigeons revealed intricate hierarchical leader-follower organisation that lay behind birds’ interactions, raising the question: How does manipulating a leader’s behaviour influence the whole collective? I propose the development of a miniature radio-controllable and/or pre-programmable device that can log behaviour and send signals to birds trained to respond by turning left or right. By thus controlling the movement of a single bird flying within a flock, the propagation of information through the network of individuals can be studied in unprecedented detail, together with the effect of a leader providing more, or less, accurate information on the collective performance of the group.
Using the principles uncovered in pigeon flocks open up possibilities for an enormous number of applications in flying robots, varying from surveillance for search and rescue operations to the automated monitoring of wildfires.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
My proposed work aims to elucidate the principles underlying leadership in the multilevel hierarchical system exhibited by pigeon flocks and apply these principles in the control of a group of flying robots. Multiple flying robots can be of great benefit, for example for autonomous monitoring or the building of a mobile network in search and rescue situations, but the potential applications are even wider if we consider using the same principles in the control of robotic swarms (e. g., medical use of a swarm of nano-robots in the far future).
The objective of this proposed project is to investigate leadership and group control in the context of collective motion. I will use empirical data from pigeon flocks (Columba livia) as my main animal model system, employ novel experimental and quantitative approaches for analysing leadership structure, and develop general principles that can be applied to both natural and artificial systems. My principal aim is to examine how flocks react to manipulated movements of the leaders, and to use the principles uncovered for real-life flying robotic applications, such as the ability to control a group efficiently through its own leadership network. To ensure the realisation of my main goals I will model the principles of group control with leaders and as the technological basis for the animal study, I will develop on-board devices for the transmission of movement commands to individual animals. This will allow manipulation of the motion of leaders in flying flocks of birds. To further our understanding of the universal rules creating efficient behaviour in animal collectives, the role of leadership in group control is fundamental.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed project aims to identify the dynamics of leadership network by manipulative experiments on pigeon flocks and to use the same principles uncovered in real artificial flocks of autonomous flying robots. Due to its multidisciplinarity, the project has many different potential benefits.
The experimental study has direct benefits for the same or closely related fields of high-throughput and quantitative studies of animal behaviour. For the conditioning of the specific directional turns a fully autonomous system is developed which recognises the subject individual’s specific behaviour and allows interaction in real time by giving stimuli and reward. This technique could have potential applications in automated monitoring of animal husbandry and increase animal welfare.
To identify the effect of the manipulated behaviour of the flock leaders new techniques are needed that recognise the temporal changes in the leadership network. To study of such systems and to identify key individuals and key events that cause the network to change new methods need to be developed. The same new techniques could be used on other fields, for example to detect key events and changes in the leadership network of companies.
Although the topic of the proposed project is principally basic research, in the longer term, collaborations with industry are envisaged in the fields of environmental and emergency monitoring, and search and rescue operations.
Autonomous robotic units are becoming cheaper and increasingly reliable, so more and more companies are testing the feasibility of such systems for monitoring, for video surveillance or even for transportation. These flying units need to be able to cooperate not only with other members of their group, but also with other units they encounter, which may have different goals. There is thus an urgent need for built-in systems for these devices that allow them to communicate with each other and solve the task of flying in close formation without collisions, for extended periods. Birds flying in enormous flocks are able to handle this task, therefore understanding their solution could provide an effective answer for robotic systems.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
A flock composed of thousands of birds turns together acting as a whole, displaying intricate levels of coordination. How do the birds make moment-to-moment decisions to turn? How can leaders shape the behaviour of the whole group? Can we control a group through only few of them? Meanwhile, robot swarms are expected to revolutionise a variety of fields. Can we use the same principles as birds for programming autonomous robotic units? These are the main questions I am excited about and aim to addresses. Recent advances and miniaturisation in technology, developments in quantitative approaches make it possible to provide the answers.
How can an autonomous robotic flock be most efficiently controlled? The principles uncovered in pigeon flocks open up possibilities for an enormous number of applications in flying robots, varying from surveillance for search and rescue operations to automated monitoring of agriculture.
The proposed research will have an impact on fields other than the direct use in animal study and robotic applications, as the parallels between decision-making by animal and human groups are self-evident, with many everyday examples of human collective decisions (from stock markets to groups of friends deciding on their activity). In an animal group, members are able to “vote” and choose between possible alternatives at a fraction of a second, and they do so without explicit communication. Humans have highly complex interactions that modify the outcome of their performance in a group, but as animals may use simple yet robust methods, studying their behaviour can reveal some of the universal rules behind the mechanisms underlying human group behaviour.
|
|
|
|
|
