Insektų dydžio mikrorobotai: agresyvus skrydis ir kontrolė

Įsivaizduokite mašiną mikrokasetės dydžio, slystančią per sugriuvusį koridorių, staigiai palinkstančią, įgaunančią greitį link tarpo, tada apsiverčiančią per galą, prasismelkiant be jokio sijos palietimo. Trumpi, intensyvūs judesiai. Tikslumas, atrodantis kaip instinktas. Cheno grupė jau daugiau nei penkerius metus kuria robotinius vabzdžius.

Maži sparnai, dideli kontrolės šuoliai

Metus mokslininkai kūrė smulkius skraidančius robotus, galinčius plūduriuoti arba sekti švelnias trajektorijas. Tačiau jiems sunkiai pavykdavo pasiekti tą patį greitį, pagreitį ir staigius orientacijos pokyčius, kuriuos tikrieji vabzdžiai naudoja skubėdami per užgrūstą aplinką. Ši ribojanti savybė atėmė iš mikrorobotų vieną perspektyviausių pritaikymų: patekti į vietas, per ankštas ar nestabilias dideliems dronams ar žemės robotams po žemės drebėjimų ar pramoninių avarijų.

Dabar MIT komandos uždarė didžiąją dalį šios spragos. Derindami aparatūros patobulinimus su nauja dviejų etapų valdymo strategija, tyrėjai išmokė insektų dydžio skraidyklę atlikti agresyvius oro manevrus, įskaitant pasikartojančius salto, atsispirti vėjo trikdžiams ir išlaikyti kursą.

Laiko tarpo nuotraukoje matyti skraidantis mikrorobotas, atliekantis salto.

Fizinė platforma yra maža ir išoriškai tvirtiškai paprasta: minkštos dirbtinės raumenys varo didesnius, atsparesnius plasnojimo sparnus, kurie plaka dideliu dažniu. Šie pakeitimai rėme ir aktyvatoriuose suteikė transporto priemonei gryną gebėjimą greitai sukelti stūmą ir suktis. Trūko smegenų: skrydžio valdiklio, galinčio priimti sprendimus plokščiai akimirkoje neaiškumo sąlygomis, neperkraunant mažos platformos superkompiuteriu.

Dvi sprendimų sistemos dirba kartu: planuotojas ir valdymo politika

Komandos šį kompromisą išsprendė mišriu požiūriu. Pirmiausia pasirodė ekspertinis planuotojas: modeliu pagrįstas numatomasis valdiklis, naudojantis matematinius roboto judėjimo modelius, kad prognozuotų būsimas padėtis ir apskaičiuotų saugiausią bei efektyviausią valdymo įvesties seką agresyvioms trajektorijoms. Šis planuotojas gali suprojektuoti manevrus, kurie iš pirmo žvilgsnio atrodo sunkiai įsivaizduojami, pavyzdžiui, grandinę iš dešimties preciziškų salto, kai kiekvienas tūpimas paruošia kitą sukimąsi.

Kabliukas tas, kad planuotojas yra skaičiavimo intensyvus. Jį paleisti gyvai ant labai mažos platformos nėra įmanoma. Todėl tyrėjai panaudojo imitacinį mokymą, kad planuotojo elgesį paverstų greita politika, įgyvendinta giluminio neuroninio tinklo. Mokymo metu planuotojas atlieka mokytojo vaidmenį ir tinklas mokosi imituoti jo sprendimus. Skrydžio metu tinklas nuskaito roboto dabartinę būseną ir akimirksniu išleidžia valdymo komandas.

Galvokite apie tai taip: planuotojas eskizuoja meistriškas strategijas, o išmokta politika jas vykdo sprinto greičiu. Rezultatas suteikia planuotojo rafinuotumą be jo delsos.

Bandymo rezultatai rodo dramatiškus laimėjimus. Palyginti su ankstesniais to paties kolektyvo valdikliais, naujoji sistema padidino maksimalų greitį maždaug 447 procentais ir didžiausią pagreitį apie 255 procentus. Vienoje demonstracijoje mikrorobotas atliko 10 iš eilės salto per 11 sekundžių, išlaikydamas keturių–penkių centimetrų nuokrypį nuo numatyto kelio.

„Aparatūros pažanga išplėtė valdiklio galimybes taip, kad programinės įrangos pusėje galėjome padaryti daugiau, bet tuo pačiu metu valdikliui tobulėjant aparatūrai atsivėrė papildomos galimybės“, sako Jonathan P. How, bendraautorius ir MIT aeronautikos grupės profesorius. Minkštosios robotikos komandos ir valdymo laboratorijos partnerystė kiekvieną patobulinimą padarė dar vertingesnį.

Kodėl pasikartojantys salto yra tokie reiklūs?

Vienas salto jau yra preciziškas veiksmas. Reikia sugeneruoti tinkamus sukimo momentus, kad suktumėtės, o tada sustabdyti tą sukimąsi tiksliai tokiu kampu ir greičiu, kokio reikia pradėti kitą salto. Smulkios klaidos kaupiasi. Bandant surišti dešimt salto seką, mažiausias nuokrypis gali tapti katastrofiškas: aparatas nusmuka nuo kelio ir sudužta.

Planuotojas aiškiai įvertina šias apribojimų ribas. Jis įtraukia jėgų, sukimo momentų ir sparnų judėjimo ribas ir ieško valdymo sekų, kurios laiko robotą saugiose ribose. Išmokta politika integruoja šias saugias trajektorijas mokymo metu, kad įdiegtoje valdymo schemoje būtų galima veikti ryžtingai ir realiu laiku.

Be salto, sistema atkuria vabzdžių panašias saccadines korekcijas: staigus palinkimas, greičio protrūkis link taško ir vėliau kampo pakeitimas priešinga kryptimi, kad sustotų. Vabzdžiai naudoja tokius manevrus vizijai stabilizuoti ir greitai atstatyti savo sensorimotorinę būseną. Mikrorobotui, nešančiam kameras ar nuotolio jutiklius, toks elgesys gali būti būtinas greitai suvokčiai užgrūstoje aplinkoje.

„Dabar, su mūsų bioįkvėpta valdymo sistema, roboto skrydžio charakteristikos pagal greitį, pagreitį ir pasvirimo kampą yra palyginamos su vabzdžiais“, pažymi Kevin Chen, Minkštosios ir Mikrorobotikos Laboratorijos vadovas ir bendraautorius. Ši pastaba apibendrina darbo pažangą: derinant minkštą aparatūrą su valdymu, kuris išnaudoja dinaminį potencialą vietoje jo varžymo.

Nuo judesio fiksavimo kamerų iki nepriklausomos navigacijos

Esami eksperimentai vis dar priklauso nuo išorinių judesio fiksavimo sistemų, kurios nurodo robotui, kur jis yra. Tai leidžia tiksliai matuoti ir valdyti vystymo metu. Akivaizdus kitas žingsnis yra perkėlimas į savarankišką jutimą: mažos kameros, inerciniai matavimo blokai ir lengvi nuotolio jutikliai, leidžiantys robotui naviguoti lauke ir griuvėsuose be išorinių sekiklių.

Pridėjus įmontuotą suvokimą kyla naujų iššūkių. Vaizdo apdorojimas yra skaičiavimo intensyvus ir triukšmingas dulkėtose, prasto apšvietimo sąlygose. Komanda planuoja tirti, ar kompaktiškos suvokimo eilutės, sujungtos su išmoktąja valdymo politika, gali išlaikyti aukštą vikrumą išlaikant patikimumą. Kita tyrimo kryptis yra spiečių koordinacija: ar grupės insektų dydžio skraidyklės galėtų koordinuoti agresyvius manevrus ir išvengti susidūrimų naudodamos vien tik įmontuotą jutimą?

Taip pat yra praktinių klausimų, kuriuos būtina spręsti, kol šie robotai pateks į gelbėjimo įrankių rinkinį. Baterijų energija ir skrydžio trukmė šiame mastelyje išlieka ribotos. Našumo gabenimo pajėgumas yra mažas, kas riboja jutiklių komplektus ir ryšio įrangą. Atsparumas pagerėjo, bet realios gelbėjimo situacijos gali būti žiauriai sudėtingos: aštrus metalas, besisukantis nuolaužų krūvos, vanduo. Vis dėlto pažanga aktyvacijose, medžiagose ir valdymo algoritmuose mažina skirtumą tarp laboratorinio prototipo ir lauko tinkamos platformos.

Eksperto įžvalga

„Šis darbas atspindi pragmatišką teorinės kontrolės ir praktinės robotikos susijungimą“, sako dr. Elena Vargas, robotikos inžinierė, turinti patirties planetinių ir avarijų valdymo robotų srityje. „Lauke svarbu ne modelio elegancija, o ar sistema gali patikimai kartoti greitus, agresyvius elgesius neaiškumo sąlygomis. Jų dviejų žingsnių architektūra yra elegantiškas būdas fiksuoti sudėtingas strategijas neprisijungus ir vėliau diegti jas internetu su maža delsos trukme. Miniatūrizuojant jutiklius ir gerinant energijos efektyvumą, manau, šie sprendimai taps esminiais naujiems tyrimo ir gelbėjimo įrankiams.“

Net kai vėjo trikdžiai grasino nuvesti jį nuo kelio, greitas robotas buvo pakankamai vikrus, kad atliktų 10 iš eilės salto per 11 sekundžių. 

Platesnės pasekmės ir susijusios technologijos

Mikrorobotika ilgai žadėjo galimybes, kurios skiriasi nuo didesnių dronų: gebėjimą patekti į uždaras erdves, prisitūpti ir vaikščioti arba dirbti spiečiuose, paskirstančiuose stebėjimo užduotis. Šis tyrimas rodo, kad aukštas vikrumas nebūtinai turi būti aukojamas dėl mažo dydžio. Su pažangiu valdymu, minkštais aktyvatoriais ir lengvomis konstrukcijomis insektų mastelio mašinos gali atlikti greitus, atsparius manevrus, kurie anksčiau buvo gyvų vabzdžių ir didesnių robotinių platformų domenas.

Susijusios pažangos artėja. Lengvos vaizdo apdorojimo eilutės, įvykiais grįstos kameros, mažinančios duomenų srautą, kompaktiški neuroninio apdorojimo akceleratoriai ir naujos baterijų chemijos visi stumia praktinę ribą. Medžiagų srityje atsparesni minkšti aktyvatoriai ir sulankstomos struktūros didina išgyvenamumą. Integravus šiuos patobulinimus, galima sukurti mikrorobotus, galinčius autonomiškai ir koordinuotai veikti uždarose ar pavojingose aplinkose.

Artimesne perspektyva šios platformos paspartins laboratorinius tyrimus apie vikrų skrydį, bioįkvėptą lokomociją ir multimodalius robotus, galinčius skristi, krypti ir prasisprausti. Jos yra bandymų laukai valdymo teorijoms, veikiančioms ekstremalių apribojimų sąlygomis: griežtų energijos biudžetų, vėluojančio jutimo ir sudėtingos aerodinamiko uždaviniai plasnojimo skrydžiui.

Išvados

Robotikos specialistai jau seniai skolinosi iš biologijos efektyviam judėjimui. Čia pasikeitė valdymo sistema, leidžianti mažoms mašinoms išnaudoti savo aparatūrą, o ne būti jos varžomoms. Dviejų žingsnių sistema, kurioje ekspertinis planuotojas moko greitąją politiką, atrakina dramatišką greitį ir pagreitį neaukojant įrenginio skaičiavimo išteklių.

Mikrorobotas atliko 10 pasikartojančių salto per 11 sekundžių ir išlaikė keturių–penkių centimetrų nuokrypį nuo numatyto kelio.

Tokia galimybė nereiškia, kad mikrorobotai rytoj pakeis žmonių gelbėjimo komandas. Tačiau tai keičia diskusiją. Mašinos dabar gali atlikti greitus, regos stabilizavimą teikiančius manevrus, atveriančius naujas operacines galimybes. Toliau integruojant jutiklius, energijos sprendimus ir atsparumo priemones, insektų mastelio skraidyklės galėtų tapti praktišku įrankiu tyrinėti erdves, kurios kitu atveju būtų nepasiekiamos.