Towards homeostatic architecture: simulation of the generative process of a termite mound construction

This report sets out to the theme of the generation of a ‘living’, homeostatic and self-organizing architectural structure. The main research question this project addresses is what innovative techniques of design, construction and materials could prospectively be developed and eventually applied to create and sustain human-made buildings which are mostly adaptive, self-controlled and self-functioning, without option to a vast supply of materials and peripheral services. The hypothesis is that through the implementation of the biological building behaviour of termites, in terms of collective construction mechanisms that are based on environmental stimuli, we could achieve a simulation of the generative process of their adaptive structures, capable to inform in many ways human construction. The essay explicates the development of the 3-dimensional, agent-based simulation of the termite collective construction and analyzes the results, which involve besides physical modelling of the evolved structures. It finally elucidates the potential of this emerging and adaptive architectural performance to be translated to human practice and thus enlighten new ecological engineering and design methodologies

Mobile Robots

The objective of this book is to cover advances of mobile robotics and related technologies applied for multi robot systems' design and development. Design of control system is a complex issue, requiring the application of information technologies to link the robots into a single network. Human robot interface becomes a demanding task, especially when we try to use sophisticated methods for brain signal processing. Generated electrophysiological signals can be used to command different devices, such as cars, wheelchair or even video games. A number of developments in navigation and path planning, including parallel programming, can be observed. Cooperative path planning, formation control of multi robotic agents, communication and distance measurement between agents are shown. Training of the mobile robot operators is very difficult task also because of several factors related to different task execution. The presented improvement is related to environment model generation based on autonomous mobile robot observations

New Models of Self-Organized Multi-Robot Clustering

For self-organized multi-robot systems, one of the widely studied task domains is object clustering, which involves gathering randomly scattered objects into a single pile. Earlier studies have pointed out that environment boundaries influence the cluster formation process, generally causing clusters to form around the perimeter rather than centrally within the workspace. Nevertheless, prior analytical models ignore boundary effects and employ the simplifying assumption that clusters pack into rotationally symmetric forms. In this study, we attempt to solve the problem of the boundary interference in object clustering. We propose new behaviors, twisting and digging, which exploit the geometry of the object to detach objects from the boundaries and cover different regions within the workplace. Also, we derive a set of conditions that is required to prevent boundaries causing perimeter clusters, developing a mathematical model to explain how multiple clusters evolve into a single cluster. Through analysis of the model, we show that the time-averaged spatial densities of the robots play a significant role in producing conditions which ensure that a single central cluster emerges and validate it with experiments. We further seek to understand the clustering process more broadly by investigating the problem of clustering in settings involving different object geometries. We initiate a study of this important area by considering a variety of rectangular objects that produce diverse shapes according to different packing arrangements. In addition, on the basis of the observation that cluster shape reflects object geometry, we develop cluster models that describe clustering dynamics across different object geometries. Also, we attempt to address the question of how to maximize the system performance by computing a policy for altering the robot division of labor as a function of time. We consider a sequencing strategy based on the hypothesis that since the clustering performance is influenced by the division of labor, it can be improved by sequencing different divisions of labor. We develop a stochastic model to predict clustering behavior and propose a method that uses the model's predictions to select a sequential change in labor distribution. We validate our proposed method that increases clustering performance on physical robot experiments

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp