Останній літаючий робот розміром із комахи, створений у MIT, знайшов ключ до швидкого та маневреного польоту. Він настільки малий, що може проникати у завали після землетрусів. І настільки швидкий, що здатний обігнати уламки, що падають із нестабільних конструкцій. Довгий час мікророботи відрізнялися неповороткістю. Вони рухалися плавними, передбачуваними траєкторіями. Тепер завдяки новій системі управління на основі ІІ вони здатні виконувати хаотичні, високопродуктивні маневри, що імітують поведінку справжніх комах.
Це відкриває негайні перспективи поліпшення пошуково-рятувальних операцій. Але цей стрибок у продуктивності також перемога самої інженерії робототехніки.
Чому традиційні мікро-роботи поступаються
Історично аеромікророботи стикалися з двома серйозними обмеженнями. Апаратна частина була крихкою. Програмне забезпечення управління – жорстким. Дослідники могли створювати легші рами та швидші приводи для крил. Але без «мозку», здатного в реальному часі обробляти складну аеродинаміку, ці апаратні переваги залишалися незатребуваними.
Люди налаштовували контролери вручну. Це було повільно. Це було неточно. Робот було реалізувати свій власний потенціал.
Кевін Чен, асоційований професор кафедри електротехніки та інформатики MIT, очолив зусилля щодо зміни цього положення. Його команда не просто доопрацювала апаратну частину. Вони перебудували «мозок» робота. Результат? Система, порівнянна за швидкістю і маневреності з живими комахами.
Як працює контролер ІІ
Рішення складається не з одного алгоритму. Це двокомпонентна система.
По-перше, експертний планувальник використовує математичну модель руху робота. Він передбачає поведінку. Вибирає оптимальні дії складних маршрутів. Забезпечує різкі повороти, круті нахили та послідовні сальто. Цей планувальник вимагає більших обчислювальних потужностей. Він споживає багато енергії. Він може працювати у реальному часі на микроконтроллере.
Тому дослідники використовували цього потужного планувальника у ролі вчителя.
За допомогою навчання з наслідуванням вони навчили модель глибокого навчання відтворювати рішення планувальника. Цей двигун політик (policy engine) служить прийняття рішень роботом у часі. Він легкий. Він швидкий. Він зберігає надійність складного планувальника без надмірного обчислювального навантаження.
«Якщо накопичуються невеликі помилки, і намагаєтеся зробити цей переворот 10 разів поспіль, робот розіб’ється. Нам потрібний надійний контроль польоту».
Метрики продуктивності: швидше і маневреніше
Результати піддаються кількісній оцінці. І дуже значним.
Порівняно з попередніми демонстраціями дослідницької команди:
- Швидкість збільшилася на 447%
- Прискорення покращилось на 255%
У ході тестів робот виконав 10 послідовних перекидів (сальто) всього за 11 секунд. Він утримувався в межах 4-5 сантиметрів від цільової траєкторії, незважаючи на вітрові збурення. Такий рівень точності для масштабу комах безпрецедентний.
Робот також відтворив саккаду. Комахи різко нахиляються, прискорюються, а потім відкидаються назад, щоб зупинити рух. Це допомагає зберігати чіткий зір під час швидкого переміщення. Мікро-робот здатний на це. Ця можливість у майбутньому може дозволити таким роботам використовувати вбудовані камери та датчики для автономної навігації.
Апаратне забезпечення за програмним кодом
Не можна забезпечити високошвидкісний політ із слабкими крилами. Остання модель оснащена більшими крилами, що рухаються м’якими штучними м’язами. Ці м’язи рухаються вперед-назад із екстремальною швидкістю. Рама стала міцнішою за попередні версії. Вона не більша за мікрокасету. Важить менше скріпки.
Але одного «заліза» було замало. Джонатан П. Хау, провідний автор і професор аеронавтики та астронавтики, відзначає синергію.
«Коли команда Кевіна демонструє нові можливості, ми показуємо, що можемо ними скористатися. Апаратна частина підштовхнула контролер. Контролер підштовхнув апаратну частину».
Пошуково-рятувальні операції: нова парадигма?
Чому це важливо поза лабораторією?
Після землетрусу ті, хто вижив, можуть бути замуровані під завалами. Квадрокоптери дуже великі для проникнення у вузькі щілини. Вони легко розбиваються. Однак комахи легко орієнтуються на полях уламків. Вони ухиляються від перешкод. Адаптуються до вітру. Приземляються на нестабільні поверхні.
Новий мікро-робот покликаний заповнити цю прогалину. Він поєднує розмір комахи з обчислювальної потужністю, необхідної для виконання маневрів, характерних для комах.
“Ми хочемо використовувати цих роботів у сценаріях, куди традиційні квадрокоптери не можуть проникнути”, – говорить Чен.
Наступні кроки включають додавання незалежних датчиків. Нині роботи покладаються зовнішні системи захоплення руху для навігації. Додавання вбудованих камер дозволить здійснювати польоти на відкритому повітрі без нагляду. Дослідники також вивчають координацію рою. Чи можуть кілька мікро-роботів працювати разом, уникаючи зіткнень та скануючи зону лиха?
Що далі
Стаття, опублікована в журналі Science Advances, позначає зрушення в архітектурі управління. Вона доводить, що висока продуктивність та ефективність можуть співіснувати.
Але роботу не завершено. Датчики – наступний бар’єр. Реальне розгортання ще попереду. Поки що у нас є робот, здатний зробити десять сальто за одинадцять секунд. Він літає швидше, ніж будь-коли раніше. Він бачить світ не як машина, а як комаха.
Це світанок автономних роїв мікро-роботів? Можливо. Або, можливо, це лише перший крок до того, щоб наблизитись до того, що природа відточувала мільйони років.
