Парадигма роя

Цель построения большого числа низкозатратных систем состоит в изменении понятия качественного превосходства от атрибута платформы к атрибуту роя. Рой в целом должен быть более боеспособным, чем военные силы противника. То есть, в конце концов, цель боя состоит в том, чтобы победить врага. Робототехнические системы позволяют производить разделение боеспособности на большее количество менее изысканных систем, которые в индивидуальном порядке могут быть менее действенными, но в совокупности превосходят силы противника.

Распределение боевой мощи не представляется возможной для всех случаев и видов боевых действий, а крупные (и дорогие) транспортные средства по-прежнему будут необходимы для выполнения различных миссий. Дорогие и комплексные системы все равно нужно будет приобретать в небольших количествах, однако, где это возможно, они должны быть дополнены большим количеством систем с более низкими издержками по принципу хай-лоу-смеси. По мнению Пола Шарре, в различных случаях должны применяться разные подходы – с дешевыми и многочисленными платформами, либо с дорогими и единичными, поэтому американские вооруженные силы должны будут подобрать адекватное сочетание высоких и низких расходов активов, чтобы иметь правильные возможности и нужное количество систем в будущих конфликтах.

Рой состоит из разрозненных элементов, которые координируют и адаптируют свое движение для того, чтобы сформировать единое целое. Стая есть нечто совершенно отличное от группы волков. Колонии муравьев могут создавать структуры и вести войну, но большое количество несогласованных муравьев не сможет сделать ни того, ни другого. Использование всего потенциала робототехнической революции потребует строительства роботизированных систем, которые способны координировать свое поведение как друг с другом, так и с человеком-оператором для того, чтобы порождать скоординированный огонь и маневр на поле боя.

Рои в природе имеют простые правила. Пчелы, муравьи и термиты по отдельности не являются разумными существами, но их колонии могут проявлять чрезвычайно сложное поведение. В совокупности они способны эффективно определять оптимальные маршруты для поиска пищи и ее доставки обратно в гнезда. Пчелы могут «голосовать» на новых местах гнездования, коллективно определяя оптимальное местоположение. Муравьи могут убить и принести в свой муравейник довольно крупную добычу. Термиты могут строить крупные структуры, а муравьи – мосты и плавучие структуры на воде, используя свои собственные тела.

Такие виды коллективного поведения возникают по причине простых правил на индивидуальном уровне, что приводит к сложной совокупности поведения. Колония муравьев со временем подбирает оптимальный маршрут от источника питания к гнезду, потому что каждый муравей оставляет след из феромонов. Следующие муравьи вернутся в муравейник раньше первопроходцев по более быстрому маршруту, который имеет более сильный след в виде феромонов, что будет сигналом для еще большего количества муравьев использовать именно это направление. Ни один муравей в отдельности «не знает», что тропа является самой быстрой, но в совокупности вся колония находит оптимальный маршрут. Аналогичным образом, если другие муравьи не пойдут по данному маршруту, уровень феромонов будет ниже. Если каждый муравей пытается выбрать след, который имеет более высокую концентрацию феромонов, в конце концов феромоны аккумулируются, когда несколько муравьев используют тот же путь, и испаряются, если муравьи по нему не следуют.

Так же, как муравей оставляет химический след своего движения на своем пути, каждый робот (на суше, на воде, под водой и в воздухе) может отправлять сообщения другим роботам, которые включают следы предыдущих сообщений с помощью «цифровых феромонов». Один из способов сделать это – следовать простому правилу, которое гарантирует, что все роботы информированы обо всех предыдущих сообщениях, связанных с этой же темой. Это – способ заблаговременно создавать справочно-связное множество сообщений, которое относится к событию, когда все боевые роботы переходят в наступление.

Алгоритм маршрутизации муравья и концепции самоорганизующихся систем обсуждал еще Норберт Винер своей книге «Кибернетика». В явном виде он не дает определения «самоорганизации», которая понимается как процесс, который машины – и, по аналогии, люди – узнают путем адаптации к окружающей среде.

Подобный пример приводила Дебора Гордон на Всемирном экономическом форуме в Давосе в январе 2016 г. где представила доклад о необходимости изучать поведение насекомых, чтобы использовать эту модель для взаимодействия в киберпространстве. Она отметила несколько важных нюансов.

Первое: как муравьи имеют дело с эксплуатационными расходами. Одним из серьезных ограничений являются эксплуатационные расходы. Примером может служить аналогия, которая называется «Anternet», между тем, как пустынные муравьи регулируют заготовку продовольствия, и протоколом управления передачей TCP-IP, который регулирует трафик данных в Интернете.

Оба используют обратную связь, чтобы иметь дело с высокими эксплуатационными расходами. Пустынные муравьи-собиратели расходуют воду, которая испаряется из них во время перемещения под горячим солнцем для того, чтобы потом получить воду из семян, которые они собирают. В первые «дни» Интернета эксплуатационные расходы были настолько высоки, что не было смысла посылать данные, если не была достигнута пропускная способность. В обеих системах сети взаимодействия избегают дополнительных расходов – передачи данных, или воды, – оставаясь неактивными, если не происходит чего-то положительного. Собиратели не выходят, если они не испытывают достаточного взаимодействия с муравьями, которые уже нашли пищу. Пакет данных не отправляется до тех пор, пока возвращение подтверждений не покажет, что предыдущие пакеты данных имели пропускную способность двигаться дальше.

В противоположность этому, в тропических лесах эксплуатационные расходы муравьев ниже. Один из видов, который живет на деревьях, создает контуры карты движения муравьев, которые постоянно передвигаются в обоих направлениях между гнездами и источниками пищи. Поскольку муравьев очень много и они принадлежат разным видам, то конкуренция высокая. Многие виды используют ресурсы, которые также используются другими видами. Взаимодействие используется для создания отрицательной обратной связи. Система продолжает работать, если ничего негативного не происходит. Собиратели продолжают идти вдоль цепи до тех пор, пока не встретят муравьев другого вида, и в этом случае, скорее всего, возвращаются в гнездо. Аналогией с инженерно-технической системой может быть волоконно-оптическая сеть, которая непрерывно передает данные, если не произойдет обрыв, или система безопасности запретит доступ тогда, когда будет достигнут пороговый уровень вторжения.

Второе: муравьи имеют разностороннюю систему безопасности, и у них нет поддельных удостоверений личности.

Другим важным сдерживающим фактором является стабильность окружающей среды, которая определяет, насколько вероятно, что система может быть остановлена или атакована.

Безопасность в колониях муравьев, как и в наших собственных иммунных системах, работает на коллективной основе. Колонии муравьев различают, кто является своим, а кто не использует запах. Там нет ни одного запаха типа паспорта, который идентифицирует всех муравьев в колонии. Вместо этого запах колонии определяется коллективно всеми муравьями в колонии. Предполагалось, что каждый муравей имеет свое собственное продвижение «границы принятия решения», чтобы отличить запах своих от других запахов. В начале своей жизни муравей работает внутри гнезда и встречает только своих, но позже, во время поиска пищи, он может встретить муравья из другой колонии, который проявит агрессивное поведение. Таким образом, первый муравей определит, что этот муравей с внешней стороны находится в рамках границ своего владения.

От того, как быстро муравьи идентифицируют других как врагов, определяется, насколько быстро вся система может регулировать свою безопасность. Запах муравьев слегка меняется с течением времени. Ни один муравей не должен знать, как распознать всех чужих муравьев. Поскольку много различных муравьев встречают потенциального врага, шансы, что некоторые муравьи определят его как чужака и будут реагировать соответствующим образом, достаточно высоки.

Такая система делает колонию менее уязвимой для атак чужаков. Если каждый муравей имеет одинаковую идентичность в виде определенного запаха, то нарушитель может просто скопировать этот идентификатор. Но когда друзья и враги различаются по идентификации, тогда более трудно подобрать поддельную идентификацию, которая будет принята всеми муравьями одной колонии. Адаптивная иммунная система у млекопитающих работает во многом таким же образом.

Естественно, что уроки из методов, которыми муравьи решают проблемы с помощью простых взаимодействий, пытаются извлечь и американские военные.