Thermodynamics-inspired Macroscopic States of Bounded Swarms

要約

ローカルエージェントのルールがわかっていて単純である場合でも、群れの集団的な行動を推定したり予測したりすることは非常に困難です。
発表された研究は、流体と群システム間の類似性を利用して、熱力学にインスピレーションを得たロボット群の集団行動の特性評価を生成することを目指しています。
これまでの研究では、流体力学からツールを借りて群れの挙動を設計していましたが、通常、流体にインスピレーションを得た群れの巨視的状態 (またはマクロ状態) 記述を生成するタスクを避けてきました。
この研究は、次の質問に答えることによってギャップを埋めることになるでしょう: 熱力学にインスピレーションを得た巨視的特性の小さなセットを生成することは可能でしょうか? それは、後で群れシステムの考えられるすべての集団的挙動を定量化するために使用される可能性がありますか?
この論文では、ガスの圧力、温度、密度に類似した 3 つの巨視的特性を提示し、引力剤と反発剤の相互作用のみによって支配される群れの挙動を説明します。
これらの特性は、理想気体の法則に似た方程式を満たすように作成され、また、実在気体のビリアル状態方程式を満たすように一般化されます。
最後に、密度やエージェントの平均速度などの群れの仕様がシステムのマクロ状態にどのような影響を与えるかを調査します。

要約(オリジナル)

The collective behavior of swarms is extremely difficult to estimate or predict, even when the local agent rules are known and simple. The presented work seeks to leverage the similarities between fluids and swarm systems to generate a thermodynamics-inspired characterization of the collective behavior of robotic swarms. While prior works have borrowed tools from fluid dynamics to design swarming behaviors, they have usually avoided the task of generating a fluids-inspired macroscopic state (or macrostate) description of the swarm. This work will bridge the gap by seeking to answer the following question: is it possible to generate a small set of thermodynamics-inspired macroscopic properties that may later be used to quantify all possible collective behaviors of swarm systems? In this paper, we present three macroscopic properties analogous to pressure, temperature, and density of a gas, to describe the behavior of a swarm that is governed by only attractive and repulsive agent interactions. These properties are made to satisfy an equation similar to the ideal gas law, and also generalized to satisfy the virial equation of state for real gases. Finally, we investigate how swarm specifications such as density and average agent velocity affect the system macrostate.

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