פיתוחים חדשים בתחום הבקרה על קבוצת רחפנים, הנעים בסינכרון וללא שליטה מרחוק, מאפשרים ליצור להקות גדולות של פרטים, ואולי גם להבין בעזרתם התנהגויות של נחילים בעולם החי.

בעבר כתבנו על המופעים המרשימים של להקות הזרזירים בשמי הארץ [1]. התנהגות זו של נחיל מתואם היטב קיימת במקומות שונים בטבע - אצל דגים, חרקים וציפורים, והיא מסקרנת חוקרים שנים רבות. כיצד נשמר הסנכרון המרשים הזה? בשנים האחרונות, אחת הגישות לחקירה של הנושא היא הנדסה לאחור - על ידי קביעת סט חוקים שיאפשר תעופה מסונכרנת של נחיל רחפנים. חשוב להדגיש, אמנם ישנם נחילים של מאות רחפנים שפועלים יחדיו [2], אך הם מתוכנתים מראש למסלולים ידועים, או מקבלים הנחיות בזמן אמת ממפעיל. אנו נעסוק בנחילים עצמאיים, שמקבלים יעד בעת הפעלתם וטסים לשם יחדיו באופן אוטונומי לחלוטין.

ראשית עלינו להבין מהו האתגר שעומד בפנינו. אנו מנסים לשלוט על מספר גדול של פריטים, שיבצעו את משימתם, הגעה ליעד, תחת כמה אילוצים. אנו צריכים שהפתרון שלנו יתאים לסביבה שבה חלים שינויים פתאומיים, כמו פרצי רוח, עם השהיה מסוימת בתגובה (הרחפנים אינם יכולים לבצע סיבוב של 180 מעלות ברגע, וכמו כן נדרש להם זמן לעבד את המידע ולהבין את הפקודות), ויש להם מידע מוגבל, אם בכלל, על מה שאר הרחפנים שלצדם מתכננים לעשות. בנוסף יש להתחשב בכך שבמרחב יש חפצים דוממים או נעים שאינם חלק מהקבוצה, ועל הנחיל יהיה להתאים עצמו לסביבה זו. כמו כן, נרצה שהפתרון שלנו ידע להתאים עצמו לנחילים בגדלים שונים; נחילים גדולים יותר ידרשו כוח חישוב רב יותר ולכן נדרש שהפתרון מתבצע בחישובים מהירים ויעילים. בנוסף, יותר פרטים בנחיל יגררו יותר תקלות, ושיבושים. לכן עמידות גבוהה לאי ודאות ולחוסר דיוקים במכשירים המדידה, נדרשת אף היא. הבעיה שניצבת בפנינו בבואנו לתכנן נחיל עצמאי בהחלט מורכבת, ויש מספר גדול של גישות לפתרונה. פתרונות מסוימים ידרשו שרחפנים "ידברו" ביניהם ויידרשו לשם כך אמצעי תקשורת, אחרות יסתמכו על זה שרחפנים יזהו את חבריהם לנחיל באופן עצמאי ויידרשו לשם כך חיישנים מתאימים. 

 בשנות ה-90 הציע חוקר בשם ריינולדס מודל לפתרון בעיית הנחילים [3]. הפתרון מסתמך על חוכמת הנחיל, הדומה לזו הננקטת על ידי זרזירים: כל אחד מחברי הנחיל מגיב למה שעושים חברי הנחיל שהכי קרובים אליו פיזית, לפי כללים ידועים מראש. המודל שהוצג מאפשר לשמור על אחידות הנחיל, כאשר כל פרט בו מקבל את ההחלטות באופן עצמאי. לפי המודל, כל פרט בנחיל פועל לפי שילוב של שלושה כללים: הכלל הראשון שכל פרט מציית לו הוא דחייה (או "ריחוק חברתי"). כלומר, כאשר אני יותר מדי קרוב לאחד משכניי אנסה להתרחק ממנו מעט. ככל שאני יותר קרוב אליו, כך תהיה הדחייה ביננו חזקה יותר, כמו התנהגות של מטענים חשמליים זהים שנפגשים. כלל זה עוזר למנוע התנגשויות ושומר על שלמות חברי הנחיל. הכלל השני הוא התאמת מהירות וכיוון. כל אחד מהפרטים מנסה להתאים את המהירות ואת כיוון הטיסה שלו למהירות הממוצעת של שכניו ולכיוונה. כלל זה מסייע לנחיל שלנו לנוע כיחידה אחת, ומאפשר להתמודד עם מכשולים בדרך בצורה יעילה. גם אם הרחפן הראשון מופתע ממכשול חדש, ונאלץ להגיב בפתאומיות ובחדות, חבריו יתאימו עצמם לתגובה שלו, והחלק האחורי של הנחיל "יֵדע" על המכשול לפני שהוא יוכל לראות אותו! הכלל השלישי והאחרון יגרום לחברי נחיל שרחוקים אחד מהשני לשאוף להתקרב. אף שכלל זה מתנגש כביכול עם הכלל הראשון, כל אחד מהם נכנס לפעולה בתחום מרחקים שונה. בדרך זו נקבל נחיל צפוף, שאינו מתפזר בעקבות הדחייה בין שכנים קרובים. 

המודל הוכיח עצמו בסימולציות, אך נמצא לא ישים בעולם האמיתי: עיכובים בתקשורת, חוסר ודאות בקביעת מרחקים וסביבה דינמית, השפיעו לרעה על יעילות המודל. בנוסף המודל מתקשה להתמודד עם מכשולים ודורש התאמות ספציפיות לסביבה שבה נערך הניסוי. הקושי בהתאמת המודל לנחילים בגדלים שונים, הפעילים בסביבות שונות, והקשיים הטכניים שציינו, צמצמו את היישומים של המודל. קבוצת חוקרים אירופאיים הציעה כמה שיפורים למודל, שמאפשרים לו להתמודד עם חלק מאתגרים אלו [4]. הקבוצה שיפרה את הכלל השני והגדירה תחומי מהירות מקובלים בין הרחפנים. כך הצליחו הרחפנים לתאם מהירות למרות התגובה האטית יחסית בתקשורת. בנוסף, הקבוצה הגדירה כלל הימנעות ממכשולים. באופן זה הצליחה הקבוצה ליצור נחיל גדול יחסית של רחפנים שנע באופן עצמאי לחלוטין. 

ישנם מחקרים רבים בנושא הנחילים האוטונומיים בשל הפוטנציאל הגלום בהם מבחינה עסקית וצבאית. הצגנו כאן דרך פתרון אחת, שהצליחה לייצר נחיל של 30 רחפנים עצמאיים לחלוטין [4], תוך שימוש בכלי מתמטי שפותח בהשראת עולם הטבע - אופטימיזציה אבולוציונית, עליו כתבנו בעבר [5]. לא הגענו עדיין לנחילים המרשימים של אלפי פרטים שניתן לצפות בהם בטבע, והפתרונות העתידיים לבעיה ההנדסית הזו עשויים לעזור ולשפוך אור על אופן קבלת ההחלטות אצל ציפורים, באחד מהמופעים המרהיבים בממלכת החי.

מקורות:

[1] פוסט "הידעת" על מעוף הזרזירים

[2] https://youtu.be/zdLjoqa_oUs

[3] Flocks, herds and schools: A distributed behavioral model

[4] מאמר מכתב העט המדעי SCIENCE ROBOTICS בו בנו נחיל עצמאי של 30 רובטים

[5] קישור לפוסט על אופטימיזציה אבולוציונית באתר