L’ultimo robot volante a grandezza di insetto del MIT ha decifrato il codice del volo rapido e agile. È abbastanza piccolo da scivolare negli edifici crollati dopo un terremoto. È abbastanza veloce da superare i detriti che cadono da strutture instabili. Per anni, i microrobot sono stati lenti. Andarono alla deriva lungo percorsi lisci e prevedibili. Ora, grazie a un nuovo sistema di controllo AI, imitano le manovre irregolari e ad alte prestazioni degli insetti reali.
Le implicazioni sono immediate: migliori capacità di ricerca e salvataggio. Ma il balzo in termini di prestazioni è anche una vittoria per la stessa ingegneria robotica.
Perché i microrobot tradizionali non sono all’altezza
Storicamente, i microrobot aerei hanno dovuto affrontare due rigidi vincoli. L’hardware era fragile. Il software di controllo era rigido. I ricercatori potrebbero costruire telai più leggeri e attuatori alari più veloci. Ma senza un cervello in grado di elaborare l’aerodinamica complessa in tempo reale, questi miglioramenti hardware sono rimasti inutilizzati.
Gli esseri umani hanno sintonizzato i controller manualmente. È stato lento. Era impreciso. Il robot non poteva sfruttare il proprio potenziale.
Kevin Chen, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica del MIT, ha guidato l’iniziativa per cambiare la situazione. Il suo team non si è limitato a modificare l’hardware. Hanno ricostruito il “cervello” del robot. Il risultato? Un sistema che eguaglia la velocità e l’agilità degli insetti viventi.
Come funziona il controller AI
La soluzione non è un singolo algoritmo. È un sistema in due parti.
Innanzitutto, un pianificatore esperto utilizza un modello matematico del movimento del robot. Prevede il comportamento. Seleziona le azioni ottimali per percorsi complessi. Gestisce curve strette, inclinazioni ripide e capriole consecutive. Questo pianificatore è computazionalmente pesante. Richiede una potenza enorme. Non può funzionare in tempo reale su un microchip.
Quindi, i ricercatori hanno utilizzato questo potente pianificatore come insegnante.
Attraverso l’apprendimento per imitazione, hanno addestrato un modello di apprendimento profondo per imitare le decisioni del pianificatore. Questo motore politico funge da decisore in tempo reale del robot. È leggero. È veloce. Cattura la robustezza del pianificatore complesso senza il sovraccarico di calcolo.
“Se si verificano piccoli errori e provi a eseguire la capriola 10 volte, il robot si schianterà. Abbiamo bisogno di un controllo di volo robusto.”
Metriche delle prestazioni: più veloce e più agitabile
I risultati sono quantificabili. Drasticamente così.
Rispetto alle dimostrazioni precedenti del gruppo di ricerca:
- Velocità aumentata del 447%
- Accelerazione migliorata del 255%
Nei test, il robot ha completato 10 capriole consecutive in soli 11 secondi. È rimasto entro 4-5 centimetri dal percorso target nonostante i disturbi del vento. Questo livello di precisione sulle squame degli insetti non ha precedenti.
Il robot ha anche replicato una saccade. Gli insetti si inclinano bruscamente, accelerano, quindi si lanciano all’indietro per fermarsi. Questo li aiuta a mantenere una visione chiara durante i movimenti rapidi. Anche il microrobot può farlo. Questa capacità potrebbe eventualmente consentire a questi robot di portare a bordo telecamere e sensori per la navigazione indipendente.
L’hardware dietro il software
Non puoi volare ad alta velocità con ali deboli. L’ultimo modello è dotato di ali battenti più grandi guidate da morbidi muscoli artificiali. Questi muscoli si muovono avanti e indietro a velocità estreme. Il telaio è più resistente rispetto alle versioni precedenti. Non è più grande di una microcassetta. Pesa meno di una graffetta.
Ma l’hardware da solo non era sufficiente. Jonathan P. How, co-autore senior e professore di aeronautica e astronauti, nota la sinergia.
“Mentre il team di Kevin dimostra nuove funzionalità, noi dimostriamo che possiamo utilizzarle. L’hardware ha spinto il controller. Il controller ha spinto l’hardware.”
Ricerca e salvataggio: un nuovo paradigma?
Perché questo è importante fuori dal laboratorio?
Dopo un terremoto, i sopravvissuti potrebbero rimanere intrappolati sotto le macerie. I quadricotteri sono troppo grandi per entrare in spazi ristretti. Si schiantano facilmente. Gli insetti, tuttavia, attraversano facilmente i campi di detriti. Evitano gli ostacoli. Si adattano al vento. Atterrano su superfici instabili.
Questo nuovo microrobot mira a colmare questa lacuna. Combina le dimensioni di un insetto con la potenza computazionale necessaria per eseguire manovre simili a quelle degli insetti.
“Vogliamo utilizzare questi robot in scenari in cui i quadricotteri tradizionali non possono volare”, afferma Chen.
I prossimi passi prevedono l’aggiunta di sensori indipendenti. Attualmente i robot si affidano a sistemi esterni di motion capture per la navigazione. L’aggiunta di telecamere a bordo consentirebbe il volo all’aperto e senza supervisione. I ricercatori stanno anche esplorando il coordinamento dello sciame. Più microrobot potrebbero lavorare insieme per evitare collisioni durante la scansione di una zona disastrata?
Cosa verrà dopo
L’articolo, pubblicato su Science Advances, segna un cambiamento nell’architettura di controllo. Dimostra che alte prestazioni ed efficienza possono coesistere.
Ma il lavoro non è finito. I sensori sono il prossimo ostacolo. L’implementazione nel mondo reale è ancora avanti. Per ora abbiamo un robot che può fare dieci capriole in undici secondi. Vola più veloce che mai. Vede meno come una macchina e più come un insetto.
È questa l’alba degli sciami di microrobot autonomi? Forse. O forse è solo il primo passo per avvicinarsi a ciò che la natura ha perfezionato in milioni di anni.
