Najnowszy latający robot wielkości owada MIT znalazł klucz do szybkiego i zwinnego lotu. Jest tak mały, że może przebić gruz po trzęsieniach ziemi. I tak szybko, że może wyprzedzić gruzy spadające z niestabilnych konstrukcji. Przez długi czas mikroroboty były niezdarne. Poruszali się po gładkich, przewidywalnych trajektoriach. Teraz, dzięki nowemu systemowi sterowania opartemu na sztucznej inteligencji, są w stanie wykonywać chaotyczne, wydajne manewry imitujące zachowanie prawdziwych owadów.
Daje to bezpośrednie perspektywy usprawnienia działań poszukiwawczo-ratowniczych. Ale ten skok produktywności jest także zwycięstwem samej inżynierii robotyki.
Dlaczego tradycyjne mikroroboty są gorsze
Historycznie rzecz biorąc, mikroroboty powietrzne napotykały dwa główne ograniczenia. Sprzęt był delikatny. Oprogramowanie sterujące jest trudne. Naukowcy mogliby stworzyć lżejsze ramy i szybsze siłowniki do skrzydeł. Jednak bez „mózgu” zdolnego do przetwarzania złożonej aerodynamiki w czasie rzeczywistym te zalety sprzętu pozostały nie do wykorzystania.
Ludzie konfigurowali kontrolery ręcznie. To było powolne. To było niedokładne. Robot nie mógł wykorzystać swojego potencjału.
Kevin Chen, profesor nadzwyczajny na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki MIT, przewodzi wysiłkom mającym na celu zmianę tego stanu rzeczy. Jego zespół nie tylko ulepszył sprzęt. Odbudowali „mózg” robota. Wynik? System porównywalny szybkością i zwrotnością z żywymi owadami.
Jak działa kontroler AI
Rozwiązanie nie składa się z jednego algorytmu. Jest to system dwuskładnikowy.
Po pierwsze, doświadczony planista wykorzystuje model matematyczny ruchu robota. Przewiduje zachowanie. Wybiera optymalne działania dla skomplikowanych tras. Zapewnia ostre zakręty, strome zbocza i spójne przewroty. Ten harmonogram wymaga dużej mocy obliczeniowej. Zużywa dużo energii. Nie może działać w czasie rzeczywistym na mikrokontrolerze.
Dlatego naukowcy wykorzystali tego potężnego planistę jako nauczyciela.
Wykorzystując uczenie się przez naśladownictwo, wytrenowali model głębokiego uczenia się w celu replikowania decyzji osoby planującej. Ten silnik polityki jest używany do podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym przez robota. To światło. Jest szybki. Zachowuje niezawodność złożonego harmonogramu bez nadmiernego obciążenia obliczeniowego.
„Jeśli narosną drobne błędy i spróbujesz wykonać ten obrót 10 razy z rzędu, robot się rozbije. Potrzebujemy niezawodnego sterowania lotem.”
Wskaźniki wydajności: szybsze i bardziej elastyczne
Wyniki są wymierne. I bardzo znaczące.
W porównaniu z poprzednimi demonstracjami zespołu badawczego:
- Prędkość zwiększona o 447%
- Przyspieszenie lepsze o 255%
Podczas testów robot wykonał 10 kolejnych salt (saltów) w ciągu zaledwie 11 sekund. Utrzymywał się w odległości 4-5 centymetrów od trajektorii celu, pomimo zakłóceń wiatru. Ten poziom precyzji jest niespotykany w skali owadów.
Robot również wykonał sakkadę. Owady pochylają się gwałtownie, przyspieszają, a następnie odchylają się do tyłu, aby zatrzymać ruch. Pomaga im to zachować dobrą widoczność podczas szybkiego poruszania się. Mikrorobot może zrobić to samo. Ta funkcja w przyszłości może pozwolić takim robotom na korzystanie z wbudowanych kamer i czujników do autonomicznej nawigacji.
Sprzęt kryjący się za kodem oprogramowania
Nie można osiągnąć dużej prędkości lotu przy słabych skrzydłach. Najnowszy model ma większe, trzepoczące skrzydła napędzane miękkimi sztucznymi mięśniami. Mięśnie te poruszają się tam i z powrotem z ekstremalnymi prędkościami. Rama stała się mocniejsza niż poprzednie wersje. Nie jest większy od mikrokasety. Waży mniej niż spinacz do papieru.
Jednak sam sprzęt nie wystarczył. Jonathan P. Howe, współautor i profesor aeronautyki i astronautyki, zauważa tę synergię.
„Kiedy zespół Kevina demonstruje nowe możliwości, pokazujemy, że możemy z nich skorzystać. Sprzęt wywarł wpływ na kontroler. Kontroler wywarł wpływ na sprzęt”.
Operacje poszukiwawczo-ratownicze: nowy paradygmat?
Dlaczego jest to ważne poza laboratorium?
Po trzęsieniu ziemi ocaleni mogą zostać zakopani pod gruzami. Quadkoptery są zbyt duże, aby zmieścić się w wąskich szczelinach. Łatwo się łamią. Jednak owady z łatwością poruszają się po polach gruzu. Unikają przeszkód. Dostosuj się do wiatru. Ląduj na niestabilnych powierzchniach.
Nowy mikrorobot ma wypełnić tę lukę. Łączy w sobie wielkość owada z mocą obliczeniową potrzebną do wykonywania manewrów przypominających owady.
„Chcemy używać tych robotów w scenariuszach, w których tradycyjne quadkoptery nie mogą przeniknąć” – mówi Chen.
Kolejne kroki polegają na dodaniu niezależnych czujników. Obecnie roboty do nawigacji korzystają z zewnętrznych systemów przechwytywania ruchu. Dodanie wbudowanych kamer umożliwi loty na świeżym powietrzu bez nadzoru. Naukowcy badają także koordynację roju. Czy wiele mikrorobotów mogłoby współpracować, aby uniknąć kolizji i przeskanować obszar objęty katastrofą?
Co dalej
Artykuł opublikowany w czasopiśmie Science Advances oznacza zmianę w architekturze sterowania. To dowód, że wysoka wydajność i efektywność mogą współistnieć.
Ale praca nie jest skończona. Kolejną barierą są czujniki. Prawdziwe wdrożenie dopiero nadejdzie. Póki co mamy robota, który potrafi wykonać dziesięć salt w jedenaście sekund. Leci szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Widzi świat nie jak maszynę, ale jak owad.
Czy to początek autonomicznych rojów mikrorobotów? Może. A może to dopiero pierwszy krok w kierunku zbliżenia się do tego, co natura doskonaliła przez miliony lat.
