Последний летающий робот размером с насекомое, созданный в MIT, нашел ключ к быстрому и маневренному полету. Он настолько мал, что может проникать в завалы после землетрясений. И настолько быстр, что способен обогнать обломки, падающие из нестабильных конструкций. Долгое время микро-роботы отличались неповоротливостью. Они двигались по плавным, предсказуемым траекториям. Теперь же благодаря новой системе управления на основе ИИ они способны выполнять хаотичные, высокопроизводительные маневры, имитирующие поведение настоящих насекомых.
Это открывает немедленные перспективы для улучшения поисково-спасательных операций. Но этот скачок в производительности — также победа самой инженерии робототехники.
Почему традиционные микро-роботы уступают
Исторически аэромикро-роботы сталкивались с двумя серьезными ограничениями. Аппаратная часть была хрупкой. Программное обеспечение управления — жестким. Исследователи могли создавать более легкие рамы и более быстрые приводы для крыльев. Но без «мозга», способного в реальном времени обрабатывать сложную аэродинамику, эти аппаратные преимущества оставались невостребованными.
Люди настраивали контроллеры вручную. Это было медленно. Это было неточно. Робот не мог реализовать свой собственный потенциал.
Кевин Чен, ассоциированный профессор кафедры электротехники и информатики MIT, возглавил усилия по изменению этого положения. Его команда не просто доработала аппаратную часть. Они перестроили «мозг» робота. Результат? Система, сопоставимая по скорости и маневренности с живыми насекомыми.
Как работает контроллер ИИ
Решение состоит не из одного алгоритма. Это двухкомпонентная система.
Во-первых, экспертный планировщик использует математическую модель движения робота. Он предсказывает поведение. Выбирает оптимальные действия для сложных маршрутов. Обеспечивает резкие повороты, крутые наклоны и последовательные сальто. Этот планировщик требует больших вычислительных мощностей. Он потребляет много энергии. Он не может работать в реальном времени на микроконтроллере.
Поэтому исследователи использовали этого мощного планировщика в роли учителя.
С помощью обучения с подражанием они обучили модель глубокого обучения воспроизводить решения планировщика. Этот движок политик (policy engine) служит для принятия решений роботом в реальном времени. Он легкий. Он быстрый. Он сохраняет надежность сложного планировщика без избыточной вычислительной нагрузки.
«Если накапливаются небольшие ошибки, и вы пытаетесь сделать этот переворот 10 раз подряд, робот разобьется. Нам нужен надежный контроль полета».
Метрики производительности: быстрее и маневреннее
Результаты поддаются количественной оценке. И весьма значительной.
По сравнению с предыдущими демонстрациями исследовательской команды:
- Скорость увеличилась на 447%
- Ускорение улучшилось на 255%
В ходе тестов робот выполнил 10 последовательных кувырков (сальто) всего за 11 секунд. Он удерживался в пределах 4–5 сантиметров от целевой траектории, несмотря на ветровые возмущения. Такой уровень точности для масштаба насекомых беспрецедентен.
Робот также воспроизвел саккаду. Насекомые резко наклоняются, ускоряются, а затем откидываются назад, чтобы остановить движение. Это помогает им сохранять четкое зрение во время быстрого перемещения. Микро-робот способен на это же. Эта возможность в будущем может позволить таким роботам использовать встроенные камеры и датчики для автономной навигации.
Аппаратное обеспечение за программным кодом
Нельзя обеспечить высокоскоростной полет со слабыми крыльями. Последняя модель оснащена более крупными машущими крыльями, приводимыми в движение мягкими искусственными мышцами. Эти мышцы двигаются вперед-назад с экстремальной скоростью. Рама стала прочнее предыдущих версий. Она не больше микрокассеты. Весит меньше скрепки.
Но одного «железа» было недостаточно. Джонатан П. Хау, со-ведущий автор и профессор аэронавтики и астронавтики, отмечает синергию.
«Когда команда Кевина демонстрирует новые возможности, мы показываем, что можем ими воспользоваться. Аппаратная часть подтолкнула контроллер. Контроллер подтолкнул аппаратную часть».
Поисково-спасательные операции: новая парадигма?
Почему это важно вне лаборатории?
После землетрясения выжившие могут быть замурованы под завалами. Квадрокоптеры слишком велики для проникновения в узкие щели. Они легко разбиваются. Однако насекомые легко ориентируются в полях обломков. Они уклоняются от препятствий. Адаптируются к ветру. Приземляются на нестабильные поверхности.
Новый микро-робот призван заполнить этот пробел. Он сочетает размер насекомого с вычислительной мощностью, необходимой для выполнения маневров, характерных для насекомых.
«Мы хотим использовать этих роботов в сценариях, куда традиционные квадрокоптеры не могут проникнуть», — говорит Чен.
Следующие шаги включают добавление независимых датчиков. В настоящее время роботы полагаются на внешние системы захвата движения для навигации. Добавление встроенных камер позволит осуществлять полеты на открытом воздухе без присмотра. Исследователи также изучают координацию роя. Могут ли несколько микро-роботов работать вместе, избегая столкновений и сканируя зону бедствия?
Что дальше
Статья, опубликованная в журнале Science Advances, обозначает сдвиг в архитектуре управления. Она доказывает, что высокая производительность и эффективность могут сосуществовать.
Но работа не завершена. Датчики — следующий барьер. Реальное развёртывание ещё впереди. Пока у нас есть робот, способный сделать десять сальто за одиннадцать секунд. Он летает быстрее, чем когда-либо прежде. Он видит мир не как машина, а как насекомое.
Это рассвет автономных роев микро-роботов? Возможно. Или, может быть, это лишь первый шаг к тому, чтобы приблизиться к тому, что природа оттачивала миллионы лет.
