麻省理工學院的研究人員開發了一種自主機器人船羣，這些船隻可以組裝成浮動結構並以最少的人為幹預進行重新配置。每艘 21 釐米見方的機器人均配備有自己的推進器、傳感器和磁性鈎鎖，使整個船隊能夠像積木一樣在水面上連接。這一名為 FloatForm 的模組化系統能夠創建可重新配置的浮動平台，快速適應不斷變化的需求和環境。研究人員表示，這項技術可以支持緊急應變作業、臨時橋樑、浮動市場、活動舞台及其他在河流、運河、湖泊和沿海地區的按需基礎設施。
FloatForm 系統能夠實現高效的自主組裝
FloatForm 是一個去中心化的羣體機器人系統，使小型自主船隻能夠自我組裝成更大的浮動結構並以最少的人為幹預進行重新配置。這一系統受到火蟻在洪水期間形成浮動筏的啟發，允許每艘機器人做出本地決策，而無需依賴中央計算機的持續指令。與大多數依賴中央控制器協調每一動作的自我組裝機器人系統不同，FloatForm 將智能分配到整個船隊中。一個輕量級的中央規劃器為每艘機器人分配在目標結構中的最終位置，而機器人則獨立處理導航、避撞及協調，通過與鄰近機器人交換位置信息來實現。
這一去中心化的方式使所有機器人能夠同時移動，顯著提高了可擴展性，因為計算負擔僅依賴於本地互動，而非機器人的總數。原型由 21 釐米見方的機器人船組成，配備四個以 X 形配置的全向推進器，能夠向任意方向移動並原地旋轉。每艘船還搭載有傳感器、處理硬件及創新的磁性鈎鎖機制，能夠實現與鄰近機器人的自主連接和分離。該鈎鎖系統基於一種受摺紙啟發的擴展結構，由一個伺服電機驅動，該機制推動或收回位於機器人四側的永久磁鐵，允許相鄰的船隻在 10 至 15 釐米的間隙中連接。
交替的磁極確保了進入方格晶格結構的可靠對齊。
未來的應用前景廣闊
一個 3D 打印的齒輪箱能夠將鈎鎖鎖定在接合或分離位置而不消耗電力，僅在鈎鎖和釋放過程中需要能量。這一節能設計保留了推進和船上計算的電池容量。工程師們在開發過程中還解決了幾個穩定性挑戰。強大的推進器最初因機器人的低質量而導致過度旋轉，因此研究人員添加了穩定鰭，增加了水動力阻力，並修整了控制算法以補償各個機器人之間的差異。團隊還解決了強磁吸引所造成的問題，使機器人在被命令時能夠可靠地分離。
在實驗室測試中，四艘和八艘機器人自動組裝成目標結構，斷開連接後重新組裝成新形狀，並作為一個單一的剛性船隻進行集體運動。每次演示需要四至八分鐘。在十次試驗中，系統在四艘機器人中實現了 90% 的自主成功率，在八艘機器人中實現了 70% 的成功率，並能在無需人為協助的情況下從導航錯誤和形狀死鎖中恢復。計算機模擬進一步證明，這一去中心化的協調框架能夠擴展至至少 64 艘機器人的船羣。
研究人員展望未來版本可在運河、河流、港口和沿海水域運行，較大型的機器人可創建臨時橋樑、浮動工作平台、緊急應變基礎設施、環境監測網絡或自適應停靠站。「通過將計算負擔轉移到機器人自身，他們建立了一個更具韌性的系統，未來可使類似的機器人集羣在開放水域進行搜索作業、環境監測和可重新配置的海洋基礎設施。」密歇根大學的助理教授史蒂文·塞隆（Steven Ceron）在一份聲明中表示。
未來的部署將需要更強的鈎鎖機制以及如 GPS 或基於視覺的導航等户外定位系統，但基礎的協調算法設計為能夠獨立於所使用的感測技術工作。