A Note on Emergent Behavior in Multi-agent Systems Enabled by Neuro-spike Communication

📄 arXiv: 2512.05654v1 📥 PDF

作者: Hyeonyeong Jang, Donghyeon Song, Jin Gyu Lee, Hyungbo Shim

分类: eess.SY

发布日期: 2025-12-05

💡 一句话要点

提出基于神经脉冲通信的多智能体同步框架，实现涌现行为

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 多智能体系统 神经脉冲通信 同步控制 涌现行为 异构系统

📋 核心要点

  1. 传统多智能体同步方法依赖连续数据传输，带宽和能量消耗高，限制了实际应用。
  2. 该文提出一种基于神经脉冲通信的同步框架，仅需间歇性传输1比特信息，大幅降低通信成本。
  3. 通过理论分析证明了该方法的收敛性，并通过数值实验验证了其有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新颖的异构多智能体系统同步框架，该框架基于神经脉冲通信，能够诱导涌现行为。与需要连续传输完整状态数据包的传统同步策略不同，我们的方法利用生物启发的神经形态放大器，通过间歇性的、1比特的狄拉克δ脉冲来实现实际的同步。所提出的方法通过将信息有效载荷最小化为单个比特，并采用间歇性和异步通信，从而显著提高了带宽和能量方面的通信效率。我们提供了所提出方法的严格收敛性分析，并通过数值例子验证了该方案。

🔬 方法详解

问题定义：现有的多智能体系统同步方法通常需要智能体之间连续传输完整的状态信息，这导致了较高的带宽占用和能量消耗，尤其是在大规模异构系统中，通信负担会变得更加严重。这些限制使得传统方法难以应用于资源受限或通信受限的场景。

核心思路：本文的核心思路是借鉴生物神经系统的脉冲通信机制，利用神经形态放大器，将智能体之间的信息交换简化为间歇性的、1比特的狄拉克δ脉冲。这种方法能够极大地减少通信量，从而降低带宽和能量消耗。通过异步和稀疏的通信，系统可以实现涌现行为，即整体行为并非由个体预先设定，而是由个体之间的交互自发产生。

技术框架：该框架包含多个异构智能体和一个神经形态放大器。每个智能体根据自身状态生成脉冲信号，这些信号通过神经形态放大器进行处理，然后传递给其他智能体。智能体接收到脉冲信号后，会根据信号调整自身状态，从而实现同步。整个过程是异步和间歇性的，不需要连续的数据传输。

关键创新：该方法最重要的创新点在于将神经脉冲通信引入多智能体系统同步中。与传统方法相比，它显著降低了通信量，提高了通信效率。此外，该方法还能够实现涌现行为，这使得系统具有更强的适应性和鲁棒性。

关键设计：神经形态放大器的具体实现方式未知，但其核心功能是将接收到的脉冲信号进行放大和处理，然后传递给其他智能体。脉冲信号的生成和接收方式也需要仔细设计，以确保系统能够稳定收敛。此外，还需要设计合适的控制律，使得智能体能够根据接收到的脉冲信号调整自身状态，从而实现同步。

🖼️ 关键图片

img_0

📊 实验亮点

论文通过数值实验验证了所提出方法的有效性。虽然没有提供具体的性能数据，但实验结果表明，该方法能够实现多智能体系统的同步，并且具有良好的收敛性。与传统方法相比，该方法显著降低了通信量，提高了通信效率。具体的提升幅度未知。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于资源受限的分布式控制系统，例如无线传感器网络、无人机集群、以及微型机器人编队等。通过降低通信成本，该方法能够扩展多智能体系统的应用范围，并提高其在复杂环境中的适应性和鲁棒性。未来，该技术有望推动智能交通、环境监测、以及智能制造等领域的发展。

📄 摘要（原文）

In this note, we present a novel synchronization framework for heterogeneous multi-agent systems enabled by neuro-spike communication, which induces emergence. Unlike conventional synchronization strategies that require continuous transmission of full-state data packets, our approach utilizes a bio-inspired neuromorphic amplifier to achieve practical synchronization via intermittent, 1-bit Dirac delta pulses. The proposed method drastically improves communication efficiency in terms of bandwidth and energy by minimizing the information payload to a single bit, with intermittent and asynchronous communication. We provide a rigorous convergence analysis of the proposed method and validate the proposed scheme through numerical examples.