On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

Applicazioni informatiche della Swarm Intelligence

Lo studio che si ha in informatica ha come obiettivo la scoperta di algoritmi sempre più efficienti per riuscire, con componenti semplici, a svolgere compiti complessi, con il minore carico di lavoro possibile. Le applicazioni di tale studio trovano risultati anche nel campo del controllo adattativo di robot. Si vogliono confrontare tramite questo studio le osservazioni più importanti riguardati queste caratteristiche rese note dalla scienza e applicarle ai campi sopra citati per dimostrare l'effettivo valore e affidabilità che si guadagnano andando a utilizzare degli algoritmi che rispecchiano le stesse caratteristiche che si possono notare nel regno animale. La metodologia di interesse usata come caso di studio è quella del recupero di oggetti. Esistono numerose soluzioni a questo problema che possono trovare uso in molte realtà utili all'uomo. Ne verranno presentate e confrontate due all'interno di questo elaborato, studiando le caratteristiche positive e negative di entrambe. Questi due approcci sono chiamati a soglia fissa e a soglia variabile. Entrambe sono tipologie di adattamento che prendono spunto dal comportamento che hanno le colonie di formiche quando si muovono alla ricerca di cibo. Si è deciso di analizzare queste due metodologie partendo da una panoramica generale di come cooperano gli insetti per arrivare al risultato finale, per poi introdurre nello specifico le caratteristiche di entrambe analizzando per ognuna i risultati ottenuti tramite grafici, e confrontandoli tra di loro.

Coordination and Control of Autonomous Mobile Robots Swarms by using Particle Swarm Optimization Algorithm and Consensus Theory

This thesis presents some different techniques designed to drive a swarm of robots in an a-priori unknown environment in order to move the group from a starting area to a final one avoiding obstacles. The presented techniques are based on two different theories used alone or in combination: Swarm Intelligence (SI) and Graph Theory. Both theories are based on the study of interactions between different entities (also called agents or units) in Multi- Agent Systems (MAS). The first one belongs to the Artificial Intelligence context and the second one to the Distributed Systems context. These theories, each one from its own point of view, exploit the emergent behaviour that comes from the interactive work of the entities, in order to achieve a common goal. The features of flexibility and adaptability of the swarm have been exploited with the aim to overcome and to minimize difficulties and problems that can affect one or more units of the group, having minimal impact to the whole group and to the common main target. Another aim of this work is to show the importance of the information shared between the units of the group, such as the communication topology, because it helps to maintain the environmental information, detected by each single agent, updated among the swarm. Swarm Intelligence has been applied to the presented technique, through the Particle Swarm Optimization algorithm (PSO), taking advantage of its features as a navigation system. The Graph Theory has been applied by exploiting Consensus and the application of the agreement protocol with the aim to maintain the units in a desired and controlled formation. This approach has been followed in order to conserve the power of PSO and to control part of its random behaviour with a distributed control algorithm like Consensus.

Tecniche di fault tolerance in swarm robotics

Questa tesi presenta e discute le sfide per ottenere sistemi di swarm robotis affidabili e tolleranti ai guasti e quindi anche alcuni metodi per rilevare anomalie in essi, in modo tale che ipotetiche procedure per il recupero possano essere affrontate, viene sottolineata inoltre l’ importanza di un’ analisi qualitativa dei guasti.

Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

WASP plays a novel role in regulating platelet responses dependent on alphaIIbbeta3 integrin outside-in signalling

The most consistent feature of Wiskott Aldrich syndrome (WAS) is profound thrombocytopenia with small platelets. The responsible gene encodes WAS protein (WASP), which functions in leucocytes as an actin filament nucleating agent -yet- actin filament nucleation proceeds normally in patient platelets regarding shape change, filopodia and lamellipodia generation. Because WASP localizes in the platelet membrane skeleton and is mobilized by alphaIIbbeta3 integrin outside-in signalling, we questioned whether its function might be linked to integrin. Agonist-induced alphaIIbbeta3 activation (PAC-1 binding) was normal for patient platelets, indicating normal integrin inside-out signalling. Inside-out signalling (fibrinogen, JON/A binding) was also normal for wasp-deficient murine platelets. However, adherence/spreading on immobilized fibrinogen was decreased for patient platelets and wasp-deficient murine platelets, indicating decreased integrin outside-in responses. Another integrin outside-in dependent response, fibrin clot retraction, involving contraction of the post-aggregation actin cytoskeleton, was also decreased for patient platelets and wasp-deficient murine platelets. Rebleeding from tail cuts was more frequent for wasp-deficient mice, suggesting decreased stabilisation of the primary platelet plug. In contrast, phosphatidylserine exposure, a pro-coagulant response, was enhanced for WASP-deficient patient and murine platelets. The collective results reveal a novel function for WASP in regulating pro-aggregatory and pro-coagulant responses downstream of integrin outside-in signalling.

Antennal courtship and functional morphology of tyloids in the parasitoid wasp Syrphoctonus tarsatorius (Hymenoptera: Ichneumonidae: Diplazontinae)

Courtship behaviour and associated morphological characters are believed to evolve under diversifying sexual selection. In Hymenoptera, sexually dimorphic antennal structures, the 'tyloids', show a large variability. Although crucial for functional interpretation, the link between tyloid morphology and courtship behaviour has gained only limited attention. Here, we investigate antennal morphology and antennal courtship in the parasitoid wasp Syrphoctonus tarsatorius (Hymenoptera: Ichneumonidae: Diplazontinae). We confirm the glandular nature of the tyloids by light and scanning electron microscopy. Moreover, we report a new form of antennation during courtship, antennal double-coiling, which links morphology and behaviour by bringing the tyloids in direct contact with the antennae of the female, thus probably facilitating the transfer of a contact pheromone. We show that a change in haemolymph pressure is the activator of the antennal movement and that it can be reproduced in the laboratory using amputated antennae. Investigations of antennal structure and movement in three additional hymenopteran species suggest that the number and location of tyloids coincide with the modality of antennal coiling. Our method for simulating antennal movement will enable retrieving information about courtship behaviour from museum specimens, thus leading to a better understanding of the evolution of courtship behaviour in Hymenoptera.

The venom composition of the parasitic wasp Chelonus inanitus resolved by combined expressed sequence tags analysis and proteomic approach

Background Parasitic wasps constitute one of the largest group of venomous animals. Although some physiological effects of their venoms are well documented, relatively little is known at the molecular level on the protein composition of these secretions. To identify the majority of the venom proteins of the endoparasitoid wasp Chelonus inanitus (Hymenoptera: Braconidae), we have randomly sequenced 2111 expressed sequence tags (ESTs) from a cDNA library of venom gland. In parallel, proteins from pure venom were separated by gel electrophoresis and individually submitted to a nano-LC-MS/MS analysis allowing comparison of peptides and ESTs sequences. Results About 60% of sequenced ESTs encoded proteins whose presence in venom was attested by mass spectrometry. Most of the remaining ESTs corresponded to gene products likely involved in the transcriptional and translational machinery of venom gland cells. In addition, a small number of transcripts were found to encode proteins that share sequence similarity with well-known venom constituents of social hymenopteran species, such as hyaluronidase-like proteins and an Allergen-5 protein. An overall number of 29 venom proteins could be identified through the combination of ESTs sequencing and proteomic analyses. The most highly redundant set of ESTs encoded a protein that shared sequence similarity with a venom protein of unknown function potentially specific of the Chelonus lineage. Venom components specific to C. inanitus included a C-type lectin domain containing protein, a chemosensory protein-like protein, a protein related to yellow-e3 and ten new proteins which shared no significant sequence similarity with known sequences. In addition, several venom proteins potentially able to interact with chitin were also identified including a chitinase, an imaginal disc growth factor-like protein and two putative mucin-like peritrophins. Conclusions The use of the combined approaches has allowed to discriminate between cellular and truly venom proteins. The venom of C. inanitus appears as a mixture of conserved venom components and of potentially lineage-specific proteins. These new molecular data enrich our knowledge on parasitoid venoms and more generally, might contribute to a better understanding of the evolution and functional diversity of venom proteins within Hymenoptera.

High Bee and Wasp Diversity in a Heterogeneous Tropical Farming System Compared to Protected Forest

It is a globally important challenge to meet increasing demands for resources and, at the same time, protect biodiversity and ecosystem services. Farming is usually regarded as a major threat to biodiversity due to its expansion into natural areas. We compared biodiversity of bees and wasps between heterogeneous small-scale farming areas and protected forest in northern coastal Belize, Central America. Malaise traps operated for three months during the transition from wet to dry season. Farming areas consisted of a mosaic of mixed crop types, open habitat, secondary forest, and agroforestry. Mean species richness per site (alpha diversity), as well as spatial and temporal community variation (beta diversity) of bees and wasps were equal or higher in farming areas compared to protected forest. The higher species richness and community variation in farmland was due to additional species that did not occur in the forest, whereas most species trapped in forest were also found in farming areas. The overall regional species richness (gamma diversity) increased by 70% with the inclusion of farming areas. Our results suggest that small-scale farming systems adjacent to protected forest may not only conserve, but even favour, biodiversity of some taxonomic groups. We can, however, not exclude possible declines of bee and wasp diversity in more intensified farmland or in landscapes completely covered by heterogeneous farming systems.