Communication is a fundamental aspect of any Swarm Robotics (SR) system, enabling robots to interact and coordinate to solve complex tasks collectively. Traditionally, communication mechanisms in SR have been designed either manually or through evolutionary algorithms. However, research on the evolution of communication has reached a stagnation point due to two key challenges. First, there is a lack of standardized frameworks that facilitate the usage of the same emerged communication across multiple tasks, a property defined in this Thesis as transferability. This property is absent in most SR studies devoted to the evolution of communication, where solutions are generally evolved ad-hoc for specific tasks. Second, there have only been few reports on the successful evolution of communication beyond simple signaling in the SR literature. Moreover, the emerged signaling communications are ultimately grounded on behaviors specifically evolved or designed for given task. Thus, there is a significant barrier that hinders the emergence of more complex forms of communication (i.e. language based communications).
This PhD Thesis addresses both of these challenges: the lack of transferability and the barrier to language-based communication. Firstly, transferability is addressed using a minimal communication system that robots can use to solve primitive tasks. This system was used to solve three different primitives (election of a leader, identification of the swarm border, and alignment of the robots), obtaining the emergence of effective communications, and exhibiting good scalability and robustness. Moreover, it only needed minor modifications in the design of the communication and robot controller. However, the communication semantics still required a full re-evolution of the system for each task in order to emerge. Surprisingly, even though signaling communications were evolved for all the primitives, the emerged semantics notably diverged depending on the aim of the task. In addition, the transferability of communication in SR systems was further explored during this PhD Thesis. A novel communication module that achieves self-organized and distributed communication, coordination, and robot planning is proposed. Furthermore, this module was successfully applied to three popular SR tasks (aggregation, formation control, and foraging) using the exact same evolved communication and requiring minor and task-specific design updates. The proposed communication module is based on virtual state spaces that are partitioned into regions. These regions are linked to meanings grounded on physical behaviors of the robots. Robots communicate their coordinates (states) in this virtual space to other neighbors in range, and they virtually navigate across the regions in order to plan and coordinate their physical behavior.
Lastly, this PhD Thesis also explores new solutions to cross the barrier that hinders the emergence of language-based communications. It sheds some light on this open problem by tackling the emergence and self-acquistion of a common lexicon that is shared across all the robots in the swarm. Robots started with no prior knowledge about the environment, explored the environment, and, ultimately, converged to a unique lexicon that is perceptually grounded on geometric objects with diverse properties. For this aim, language games, cultural transmission, and semiotics techniques were used. Furthermore, the emerged lexicons exhibited several complex properties that are characteristic of human language, such as compositionality, displaced communication, duality of patterning, and arbitrariness.
RESUMEN
La comunicación es un aspecto fundamental de cualquier sistema de robótica de enjambre, permitiendo la interacción y coordinación entre robots con el fin de resolver tareas complejas de forma colectiva. Tradicionalmente, la comunicación en robótica de enjambre ha sido diseñada manualmente o mediante algoritmos evolutivos. No obstante, la investigación sobre la evolución de la comunicación ha alcanzado un punto de estancamiento, debido a dos desafíos fundamentales. En primer lugar, existe una falta de marcos estandarizados que permitan reutilizar la misma comunicación emergente en múltiples tareas, una propiedad definida en esta tesis como transferibilidad. Esta propiedad está ausente en la mayoría de sistemas de robótica de enjambre dedicados a la evolución de la comunicación, con soluciones generalmente evolucionadas ad-hoc para tareas concretas. En segundo lugar, existen muy pocos estudios sobre robótica de enjambre que reporten la evolucion de sistemas de comunicación más allá de señalizaciones. Además, la señalización emergente está generalmente anclada a comportamientos robóticos especificamente evolucionados o diseñados para la tarea concreta a resolver. Por lo tanto, existe una barrera considerable que dificulta la emergencia de formas de comunicación complejas.
Esta Tesis aborda estos dos desafios: la falta de transferabilidad y la barrera que impide alcanzar comunicaciones basadas en lenguaje. Primeramente, la adquisición de la transferabilidad ha sido abordada usando un sistema de comunicación minimalista que los robots pueden emplear para resolver primitivas. Este sistema ha sido aplicado en tres tareas diferentes (elección de un líder, identificación del borde del enjambre y alineación de los robots), obteniendo la emergencia de comunicaciones efectivas y mostrando soluciones estables y robustas. Además, el sistema solo requiere modificaciones menores en el diseño de la comunicación y controlador robótico. No obstante, la emergencia de la semántica de la comunicación necesita una re-evolución completa para cada tarea. Sorprendentemente, aunque se evolucionaron señalizaciones en todas las primitivas, la semántica emergente divergió notablemente en función del objetivo de la tarea. Adicionalmente, en esta Tesis se profundizó en la transferibilidad de la comunicación en robótica de enjambre. Se ha propuesto un nuevo módulo de comunicación que permite una coordinación y planificación robótica auto-organizadas y distribuidas. Asimismo, el módulo de comunicación se aplicó correctamente en tres tareas de robótica colectiva populares (agregación, formación, y recolección) usando exactamente la misma comunicación previamente evolucionada. El módulo de comunicación está basado en espacios de estados virtuales, divididos en regiones. Estas regiones están ancladas en comportamientos físicos de los robots. Los robots comunican sus coordenadas (estados) en el espacio virtual a otros vecinos, y navegan virtualmente a través de las regiones con el fin de coordinar y planificar su comportamiento.
Finalmente, esta Tesis también explora nuevas soluciones que permitan cruzar la barrera hacia la emergencia de lenguaje. Arroja algo de luz sobre este problema abierto mediante la emergencia y auto-adquisición de un léxico común y compartido por todos los robots en el enjambre. Los robots comenzaron sin conocimiento previo del entorno y, trás un proceso de exploración, convergieron a un léxico único y perceptualmente basado en objetos geométricos con propiedades diversas. Para ello, se emplearon juegos de lenguaje, transmisión cultural y técnicas semióticas. Además, los léxicos emergentes mostraron propiedades complejas características del lenguaje humano, como la composicionalidad, la comunicación desplazada, la dualidad de patrones y la arbitrariedad.
Communication is a fundamental aspect of any Swarm Robotics (SR) system, enabling robots to interact and coordinate to solve complex tasks collectively. Traditionally, communication mechanisms in SR have been designed either manually or through evolutionary algorithms. However, research on the evolution of communication has reached a stagnation point due to two key challenges. First, there is a lack of standardized frameworks that facilitate the usage of the same emerged communication across multiple tasks, a property defined in this Thesis as transferability. This property is absent in most SR studies devoted to the evolution of communication, where solutions are generally evolved ad-hoc for specific tasks. Second, there have only been few reports on the successful evolution of communication beyond simple signaling in the SR literature. Moreover, the emerged signaling communications are ultimately grounded on behaviors specifically evolved or designed for given task. Thus, there is a significant barrier that hinders the emergence of more complex forms of communication (i.e. language based communications).
This PhD Thesis addresses both of these challenges: the lack of transferability and the barrier to language-based communication. Firstly, transferability is addressed using a minimal communication system that robots can use to solve primitive tasks. This system was used to solve three different primitives (election of a leader, identification of the swarm border, and alignment of the robots), obtaining the emergence of effective communications, and exhibiting good scalability and robustness. Moreover, it only needed minor modifications in the design of the communication and robot controller. However, the communication semantics still required a full re-evolution of the system for each task in order to emerge. Surprisingly, even though signaling communications were evolved for all the primitives, the emerged semantics notably diverged depending on the aim of the task. In addition, the transferability of communication in SR systems was further explored during this PhD Thesis. A novel communication module that achieves self-organized and distributed communication, coordination, and robot planning is proposed. Furthermore, this module was successfully applied to three popular SR tasks (aggregation, formation control, and foraging) using the exact same evolved communication and requiring minor and task-specific design updates. The proposed communication module is based on virtual state spaces that are partitioned into regions. These regions are linked to meanings grounded on physical behaviors of the robots. Robots communicate their coordinates (states) in this virtual space to other neighbors in range, and they virtually navigate across the regions in order to plan and coordinate their physical behavior.
Lastly, this PhD Thesis also explores new solutions to cross the barrier that hinders the emergence of language-based communications. It sheds some light on this open problem by tackling the emergence and self-acquistion of a common lexicon that is shared across all the robots in the swarm. Robots started with no prior knowledge about the environment, explored the environment, and, ultimately, converged to a unique lexicon that is perceptually grounded on geometric objects with diverse properties. For this aim, language games, cultural transmission, and semiotics techniques were used. Furthermore, the emerged lexicons exhibited several complex properties that are characteristic of human language, such as compositionality, displaced communication, duality of patterning, and arbitrariness.
RESUMEN
La comunicación es un aspecto fundamental de cualquier sistema de robótica de enjambre, permitiendo la interacción y coordinación entre robots con el fin de resolver tareas complejas de forma colectiva. Tradicionalmente, la comunicación en robótica de enjambre ha sido diseñada manualmente o mediante algoritmos evolutivos. No obstante, la investigación sobre la evolución de la comunicación ha alcanzado un punto de estancamiento, debido a dos desafíos fundamentales. En primer lugar, existe una falta de marcos estandarizados que permitan reutilizar la misma comunicación emergente en múltiples tareas, una propiedad definida en esta tesis como transferibilidad. Esta propiedad está ausente en la mayoría de sistemas de robótica de enjambre dedicados a la evolución de la comunicación, con soluciones generalmente evolucionadas ad-hoc para tareas concretas. En segundo lugar, existen muy pocos estudios sobre robótica de enjambre que reporten la evolucion de sistemas de comunicación más allá de señalizaciones. Además, la señalización emergente está generalmente anclada a comportamientos robóticos especificamente evolucionados o diseñados para la tarea concreta a resolver. Por lo tanto, existe una barrera considerable que dificulta la emergencia de formas de comunicación complejas.
Esta Tesis aborda estos dos desafios: la falta de transferabilidad y la barrera que impide alcanzar comunicaciones basadas en lenguaje. Primeramente, la adquisición de la transferabilidad ha sido abordada usando un sistema de comunicación minimalista que los robots pueden emplear para resolver primitivas. Este sistema ha sido aplicado en tres tareas diferentes (elección de un líder, identificación del borde del enjambre y alineación de los robots), obteniendo la emergencia de comunicaciones efectivas y mostrando soluciones estables y robustas. Además, el sistema solo requiere modificaciones menores en el diseño de la comunicación y controlador robótico. No obstante, la emergencia de la semántica de la comunicación necesita una re-evolución completa para cada tarea. Sorprendentemente, aunque se evolucionaron señalizaciones en todas las primitivas, la semántica emergente divergió notablemente en función del objetivo de la tarea. Adicionalmente, en esta Tesis se profundizó en la transferibilidad de la comunicación en robótica de enjambre. Se ha propuesto un nuevo módulo de comunicación que permite una coordinación y planificación robótica auto-organizadas y distribuidas. Asimismo, el módulo de comunicación se aplicó correctamente en tres tareas de robótica colectiva populares (agregación, formación, y recolección) usando exactamente la misma comunicación previamente evolucionada. El módulo de comunicación está basado en espacios de estados virtuales, divididos en regiones. Estas regiones están ancladas en comportamientos físicos de los robots. Los robots comunican sus coordenadas (estados) en el espacio virtual a otros vecinos, y navegan virtualmente a través de las regiones con el fin de coordinar y planificar su comportamiento.
Finalmente, esta Tesis también explora nuevas soluciones que permitan cruzar la barrera hacia la emergencia de lenguaje. Arroja algo de luz sobre este problema abierto mediante la emergencia y auto-adquisición de un léxico común y compartido por todos los robots en el enjambre. Los robots comenzaron sin conocimiento previo del entorno y, trás un proceso de exploración, convergieron a un léxico único y perceptualmente basado en objetos geométricos con propiedades diversas. Para ello, se emplearon juegos de lenguaje, transmisión cultural y técnicas semióticas. Además, los léxicos emergentes mostraron propiedades complejas características del lenguaje humano, como la composicionalidad, la comunicación desplazada, la dualidad de patrones y la arbitrariedad. Read More
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