Miksi parvien älykkyys on tärkeää autonomisille avaruusaluksille

Vielä äskettäin hallitseva tapa valmistaa liikkuva kone, olipa se sitten lentokone, avaruusalus tai sukellusvene, oli suunnitella se vakiintuneiden mekaanisten järjestelmien rinnalla. Viime aikoina on syntynyt ajatus “bioniikasta”, jossa keinotekoiset mallit jäljittelevät biologisia, erityisesti ominaisuuksien, kuten morfologian ja liikkumisen, osalta. Tämä voi tapahtua jäljittelemällä sudenkorentoja mikrodronejen luomiseksi, ihmisen käsiä roboteille tai rakentamalla vedenalaisia ajoneuvoja, jotka ovat merieläinten muotoisia.

Tämä lähestymistapa auttaa hyödyntämään miljardien vuosien evoluutioprosessia, joka on optimoinut muotoja ja rakenteita tiettyihin olosuhteisiin, yleensä vahvalla energiatehokkuuden ja kestävyyden suuntauksella, jota keinotekoiset suunnitteluratkaisut pyrkivät vaikeasti saavuttamaan.

Uusi tieteellinen artikkeli pyrkii viemään tätä ajatusta pidemmälle. Sen ovat kirjoittaneet tutkijat Pekingin yliopistosta ja Kiinan ilmailu- ja avaruusjärjestelmien ja innovaation akatemiasta. Tutkimus väittää, että uusi käsite nimeltä Laaja bioniikkaintegraatio (EBI) voisi vahvistaa edelleen keinotekoisia järjestelmiä siirtämällä miljardien vuosien aikana hiottuja evoluutiomekanismeja, erityisesti ilmailusovelluksiin.

Se julkaistiin Chinese Journal of Aeronautics -lehdessä¹ otsikolla “Ajatuksia laajasta bioniikkaintegraatiosta ilmailualalla”.

Bioniikka vs. laaja bioniikka

Syy siihen, miksi monimutkaiset järjestelmät ottavat yhä enemmän inspiraatiota biologisista järjestelmistä, on se, että niiden monimutkaisuuden kasvaessa niiden suunnittelu kohtaa samat ongelmat kuin biologiset organismit:

• Monimutkainen eri komponenttien verkko on saatava toimimaan sujuvasti yhdessä.
• Muuttuvat olosuhteet ja ympäristöt vaativat nopeaa sopeutumista.
• “Makroskooppinen poikkitasoinen emergenssi, jossa hienostuneita toimintoja, joita yksittäisissä komponenteissa ei ole, kehittyy järjestyneesti dynaamisissa ympäristöissä.”

Tästä syystä bioniikan käsite syntyi:

“Bioniikka on ottaa tietty organismi kohteeksi ja jäljitellä sen erityispiirteitä, jotta saavutetaan korkea yhdenmukaisuus keinotekoisten järjestelmien ja luonnollisten organismien välillä fyysisten ominaisuuksien, liikeominaisuuksien ja sovellusympäristöjen suhteen. Pyrkimys äärimmäiseen samankaltaisuuteen keinotekoisen kohteen ja luonnollisen organismin välillä on bioniikan perusajatus.”

Tämä voi luoda erittäin mielenkiintoisia eläinmäisiä malleja, kuten esimerkiksi rauskumaisen muotoilun vedenalaisessa droonissa Northrop Grumman (NOC )  (seuraa linkkiä raporttiimme kyseisestä yrityksestä).

Tämä lähestymistapa on kuitenkin myös rajoitettu, koska se voi yksinomaan jäljitellä todellisia organismeja. Se ei voi juurikaan iteroida suunnittelua, ja sitä rajoittaa viime kädessä suunnittelu, joka oli järkevä hauraille biologisille rakenteille, eikä se, mitä voisi olla elämän inspiroimia malleja, ottaen huomioon keinotekoisten materiaalien edut.

Tästä syystä uutta “laajan bioniikan” lähestymistapaa harkitaan nyt. Se ei jäljittele vain lopputulosta (eläviä organismeja), vaan myös prosesseja, jotka ovat luoneet ne, jotka saattavat tai eivät välttämättä tuottaa samanlaisia tuloksia, kun niitä sovelletaan keinotekoisiin järjestelmiin.

“Laaja bioniikka vapautuu stereotyyppisestä “yksi yhteen -vastaavuuden” ajattelutavasta (esimerkiksi robottikalan suunnittelu pelkästään uivia olentoja jäljittelemällä tai droonien suunnittelu lentäviä eläimiä kopioimalla). Se tutkii erilaisia biologisia malleja luonnossa, mukaan lukien morfologiset mallit, rakenteelliset mallit, käyttäytymismallit, päättelymallit, organisatoriset mallit ja parvimallit, ja abstrahoi sitten yleisiä menetelmiä, joita sovelletaan keinotekoisiin järjestelmiin.”

Lähde: Chinese Journal of Aeronautics

Laajan bioniikan soveltaminen

Kaiken kaikkiaan laaja bioniikkaintegraatio (EBI) pyrkii integroimaan monia tieteenaloja uudeksi suunnittelun ja insinööritieteen koulukunnaksi:

• Biologinen evoluutio (älykkyyden synty luonnossa),
• Neurotieteen materiaaliset perustat ja informaationkäsittelymekanismit (älykkyyden hermopohja)
• Kognitiotiede (älykkyyden perustavanlaatuiset ilmenemismuodot),
• Psykologia (älykkyyden kehittyneet ilmenemismuodot) integroi monitieteisiä teorioita muodostaen teoreettisen ja teknologisen viitekehyksen älykkyystieteelle.

Tämän odotetaan olevan erityisen merkityksellistä bioinspiroiduille järjestelmille ja parviälykkyydelle, erityisesti autonomisten ja älykkäiden avaruusalusten ja ilmailujärjestelmien tulevalle kehitykselle.

“Monimutkaisemmat organismit tarjoavat myös arvokkaita paradigmoja. Esimerkiksi mustekalojen hajautettu hermoverkko ja joustava kognitio osoittavat hajautettua älykkyyttä ja mukautuvia ongelmanratkaisukykyjä, tarjoten uusia oivalluksia erittäin autonomisten miehittämättömien järjestelmien suunnitteluun.”

EBI voi myös tuoda lisäarvoa integroimalla useamman kuin yhden suunnitelman kerralla, mikä tekee siitä kykenevämmän luomaan drooni- tai robottiekosysteemin kuin klassisen bioniikan yksi yhteen -jäljitelmä.

Se helpottaa useiden järjestelmien ja tavoitteiden poikkitieteellistä integraatiota, siirtyen pois aiemmasta yksinkertaisemmasta bioniikkalähestymistavasta, joka on toistaiseksi tuottanut vain vaihtelevia tuloksia toimivien työkalujen käyttöönotossa.

“EBI-teknologia rikkoo lajien eristäytymisen ilmiön biologisissa oppimisprosesseissa, hyläten yksinkertaistetut ja karkeat siirtomenetelmät, kuten ’kalan matkiminen veden alla’, ’linnun jäljittely lennossa’ ja ’suden matkiminen maalla’.”

Lähde: Chinese Journal of Aeronautics

Tutkijat antavat sarjan esimerkkejä siitä, missä tämä lähestymistapa voisi olla onnistunut, mukaan lukien parviälykkyys:

• Lintujen parveilukäyttäytyminen monilennokkikoordinaatioon (laaja matkimisen laajuus).
• Kalaparven algoritmi satelliittimuodostelmien ohjauksen optimointiin (lajirajojen ylitys).
• Miehittämättömän parven järjestelmän tutkiminen (poikkitieteellinen integraation voimaannuttaminen).
• Ihmisen hermoston periaatteiden matkiminen ihmisen kaltaisten kognitiivisten agenttien simuloimiseksi, joilla on ajattelu- ja oppimiskykyjä. (keskittyen älykkyyden käsitteeseen)

Laaja biomimeettinen älykkyys ilmailuun ja avaruuteen

EBI ympäristön havaitsemiseen

Biologiset organismit käyttävät polarisaationäköä navigointiin, saalistajien välttämiseen, metsästykseen ja viestintään. Ne ovat myös luoneet monia näön ja aistien muotoja, joita voidaan soveltaa keinotekoisiin malleihin:

• Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimuslaboratorio on soveltanut verkkosilmäjärjestelmiä lyhyen kantaman ilmasta-ilmaan-ohjuksiin, mahdollistaen nopean maalin lukituksen hakupäillä.
• CurvACE-kaareva keinotekoinen verkkosilmäjärjestelmä asennettiin droneihin lyhyen matkan odometriaa, maalin seurantaa ja visuaalista stabilointia varten.
• Laajakenttäinen spatiaalinen röntgenastronominen havaitseminen hummerisilmän röntgenfokusointikuvantamisteknologialla Kiinan tiedeakatemian kansallisten tähtitieteellisten observatorioiden (NAOC) toimesta.
• Eläinten asynkronisten piikkisarjojen matkiminen keinotekoisella neuroverkolla raportoimaan valon muutoksista aivoille, auttaen nopeiden dynamiikkojen tallentamisessa.

EBI integroituun laskentaan

Tsinghuan yliopiston tutkimus käytti memristorimatriisipohjaisia konvoluutioverkkoja saavuttaakseen kaksi suuruusluokkaa korkeamman energiatehokkuuden kuin grafiikkaprosessorit (GPU:t) käsitellessään konvoluutiohermoverkkoja (CNN).

Vastaavasti neuromorfinen laskenta, kuten Zhejiangin yliopiston Darwin III -neuromorfinen siru, voi tukea yli 2 miljoonaa neuronia ja 100 miljoonaa synapsia yhdellä sirulla, lähestyen yksinkertaisten eläinten neuronien määrää.

Tämä eläimen neurologian matkiminen voi ulottua transistoritasolle, piinanopohjaisilla neuromorfisilla transistoreilla, jotka matkivat hermosolujen plastisuutta ioniseostettujen sol-geelisilikaattikalvojen avulla.

EBI yksilölliseen päätöksentekoon

Yleisesti ottaen autonomiseen päätöksentekoon kohdistuu laskennan, tallennuksen ja resurssien rajoitteita enemmän kuin keskitettyyn älykkyyteen, jolla on pääsy supertietokoneisiin tai pilvilaskentaan.

EBI voi käyttää geneettisiä algoritmeja, hiukkasparven optimointia, harmaasusioptimoijaa ja keinotekoisia kalaparven algoritmeja robottien ja dronejen liikkeiden, suunnan, toimien jne. päättämiseen.

Tämä sopii siirtymiseen keskitetysti ohjatuista ilmailuvaroista autonomisiin järjestelmiin, joiden on tehtävä hyödyllisiä päätöksiä rajoitetulla teholla, kaistanleveydellä, laskennalla ja ihmisen valvonnalla.

Biologisesti inspiroitu dopamiinimalli autonomiseen päätöksentekoon roboteissa voitaisiin jopa kehittää, jossa dopamiini säätelee motivaatiota ja palkkiota, kuten ihmisaivoissa.

EBI yhteistoiminnalliseen ohjaukseen

Niin kutsuttu ”parviälykkyys” perustuu älykkään ja monimutkaisen ryhmäkäyttäytymisen ja koordinaation syntymiseen, huolimatta yksittäisten komponenttien rajoitetusta älykkyydestä. Kalaparvet, lintuparvet ja mehiläisparvet osoittavat tällaista kykyä.

Tällainen biologisesti inspiroitu yhteistoiminnallinen ohjaus, jolta puuttuu kiinteät keskussolmut, voi mahdollistaa avaruusalusparvien toiminnan ilman jäykkiä viestintätopologioita, parantaen kestävyyttä odottamattomissa tilanteissa, kuten yksilöiden puuttuminen tai vikaantuminen.

EBI vastakkainasettelun peliteoriaan

Koska yksi keinotekoisten parvien ja bioniikan sovelluksista on tietoliikenteessä ja puolustussovelluksissa, kyky joko hyökätä tai vastustaa hyökkäyksiä on tärkeä.

Tämä tekee biologisista ryhmäkäyttäytymisistä, kuten susilaumojen yhteismetsästys tai kalaparvien pako saarrostuksesta, erityisen mielenkiintoisia. Tämä voi myös edistää ryhmän tehokkuutta yksilön kustannuksella parven komponenteista, kuten esimerkiksi uhraamalla yksi pakenija varmistaakseen muiden pakenemisen, samoin kuin vahva saalistaja metsästää heikompia yksilöitä saalisryhmässä.

EBI, AI & avaruusteknologiat

Avaruusteknologioiden mukauttaminen

Keinoälyn nopea kehitys tekee laajasta biomimeettisestä älykkyydestä entistä tärkeämpää ilmailu- ja avaruussovelluksille. Avaruusteknologioiden nopeasti kasvava merkitys, kiitos uudelleenkäytettävien kantorakettien, tekee myös avaruusalusten autonomian lisäämisestä ratkaisevan tärkeää.

”Neljä keskeistä kyvykkyyttä – ’pääsy avaruuteen, avaruuden hyödyntäminen, avaruuden kehittäminen ja avaruuden tutkiminen’ – asettavat korkeampia vaatimuksia uusille ilmailu- ja avaruusjärjestelmille, mukaan lukien avaruuskuljetusjärjestelmät, avaruusinfrastruktuuri, avaruusvalmistus, syvän avaruuden tutkimusjärjestelmät ja kehitysjärjestelmät.”

Ihannetapauksessa tällaiset biologisesti inspiroidut tekoälyavaruusjärjestelmät yhdistäisivät useita kykyjä:

• Integroitu järjestelmä, joka käyttää EBI:tä havaitsemiseen, muistiin, päättelyyn ja päätöksentekoon.
• Parviäly luo monimutkaisia globaaleja käyttäytymismalleja yksinkertaisista paikallisista säännöistä ja pitää ne vakaina ja ennustettavina.
• Neuronaalisen kytkeytyvyyden dynaaminen uudelleenjärjestäytyminen sopeutuakseen uusiin skenaarioihin ja sopeutuakseen alkuperäisten koulutusaineistojen rajojen ulkopuolelle.

Lähde: Chinese Journal of Aeronautics

EBI-kehityksen nopeuttaminen

Tutkijat väittävät, että laajan bioälykkyyden (Extensive Bionic Intelligence) kehityksen ja käyttöönoton nopeuttamiseksi on otettava muutamia askelia.

Ensimmäinen on täydellisen bioälykkyystietokannan luominen. On välttämätöntä käsitellä ja luokitella suuria määriä biologisia havaintotietoja, jalostaen asteittain bioälykkyystietokantoja. Näin heterogeenisten biologisten tietojen standardointi varmistaa niiden käytettävyyden laskennalliseen mallinnukseen ja fyysisten prototyyppien suunnitteluun.

Kun tämä kattava biologinen älykkyystietokanta on luotu, on mahdollista valita nopeasti siitä tehtävään parhaiten sopivat jäljitelmäkohteet. Tämä on silti sovitettava myös ihmisen tavoitteisiin, mikä ei välttämättä ole yksinkertaista.

”Tärkein tekninen vaikeus on luoda tarkat kartoitusmekanismit, jotka yhdistävät monimutkaiset biologiset edut tehtäväkohtaisiin insinööritehtäviin, välttäen samalla liiallista yksinkertaistamista tai toiminnallisen olemuksen menetystä.”

Sitten on luotava nopeat evoluutiomekanismit, jotta saavutetaan ketterä koulutus uusiin ympäristöihin ja ongelmiin. On myös integroitava laajat biojäljittelyyn perustuvat havainto- ja ohjausteknologiat.

Kun kaikki nämä vaiheet on otettu, EBI-alan pitäisi pystyä edistämään syvän avaruuden autonomista tutkimusta, maan ulkopuolista monirobottikoordinaatiota ja satelliittien ohjelmistopohjaisia järjestelmiä, mikä johtaa harppauksellisiin parannuksiin ilmailun miehittämättömien järjestelmien älykkyydessä.

Sijoittaminen miehittämättömään älykkyyteen

Kratos Defense & Security Solutions

Alun perin puolustuksen tietoliikenneinfrastruktuuriin ja -verkkoihin keskittynyt Kratos on tehnyt vuodesta 2004 lähtien sarjan yritysostoja pienistä tai keskisuurista elektroniikka- ja puolustusyrityksistä.

Tämä on johtanut siihen, että siitä on tullut tärkeä ilmailun tietoliikenneratkaisujen toimittaja.

Lähde: Kratos Space

Kratos laajenee myös nopeasti drone- ja ohjussegmenteissä, erityisesti ”halpojen ja riittävän hyvien” ammusten luokassa, joka on tärkeä, koska kalliiden asejärjestelmien tuotanto sekä hyökkäys- että puolustustehtävissä kamppailee pysyäkseen kulutuksen tahdissa konflikteissa, kuten Ukrainassa ja Iranissa.

Näin ollen Kratos on aliäänisten ja yliäänisten ohjusmoottoreiden toimittaja, kuten GEK-sarjan suihkuturbiinit ja Zeus-kiinteärakettimoottorit.

Se valmistaa myös XQ-58 Valkyrie -miehittämättömän taktisen ilma-aluksen (UTA) sekä drone-ilma-maalit aseiden testaamiseen.

Maalla se luo kauko-ohjattuja ja itseajavia kuorma-autoja ja maalogistiikkajärjestelmiä, suuritehoisia lasereita, kevyitä, sähkömagneettisilta häiriöiltä suojattuja liikkuvia alustoja C5ISR-järjestelmiä (Command, Control, Communications, Computers, Cyber, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance) ja Sentinel-asejärjestelmän, maalla sijaitsevan mannertenvälisen ballistisen ohjuksen (ICBM) järjestelmän, joka on kehitteillä

Kratoksen kaltaiset yritykset ovat riittävän pieniä pysyäkseen ketterinä, mutta riittävän suuria kyetäkseen ottamaan käyttöön uusia konsepteja, kuten laajan bioälykkyyden, autonomisiin droneihinsa ja muihin aseisiin. Näin ollen se todennäköisesti pystyy hyödyntämään rinnakkaisia edistysaskeleita reuna-AI:ssa, anturifuusiossa, hajautetussa koordinoinnissa ja monitoimija-agenttien tehtäväsuunnittelussa.

(Voit myös lukea koko sijoitusraporttimme Kratoksesta saadaksesi lisätietoja)

Viimeisimmät Kratos Defense & Security Solutions (KTOS) -osakeuutiset ja -tapahtumat

Viitattu tutkimus

^{1. Junzhi Yu, et al. Ajatuksia laajasta bioälykkyydestä ilmailualalla. Chinese Journal of Aeronautics. 13. maaliskuuta 2026, 104161. https://doi.org/10.1016/j.cja.2026.104161}