Обладая скоростью и ловкостью, сравнимыми со скоростью и ловкостью насекомого, этот крошечный робот в будущем сможет оказывать помощь в поисково-спасательных операциях. 
↓ Скачать подпись к изображению : «Теперь, благодаря нашей биоинспирированной системе управления, летные характеристики нашего робота сопоставимы с насекомыми по скорости, ускорению и углу тангажа», — говорит Кевин Чен. Источник : Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники. 
↓ Скачать подпись к изображению : Даже когда ветровые возмущения грозили сбить его с курса, быстрый робот оказался достаточно ловким, чтобы выполнить 10 последовательных сальто за 11 секунд. Источник : Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники. 
↓ Скачать подпись к изображению : Группа Чена занимается созданием роботизированных насекомых более пяти лет. Источник : Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники. 
↓ Скачать подпись к изображению : Микроробот переворачивается 10 раз за 11 секунд. Источник : Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники. 
На покадровой фотографии запечатлен летающий микроробот, выполняющий сальто. Источник: Лаборатория мягкой и микроробототехники. 
«Теперь, благодаря нашей биоинспирированной системе управления, летные характеристики нашего робота сопоставимы с насекомыми по скорости, ускорению и углу тангажа», — говорит Кевин Чен. Фото: Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники. 
Даже когда порывы ветра грозили сбить его с курса, быстрый робот оказался достаточно ловким, чтобы выполнить 10 последовательных сальто за 11 секунд. Фото: любезно предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники. 
Группа Чена занимается созданием роботизированных насекомых уже более пяти лет. Фото: Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники.
В будущем крошечные летающие роботы могут быть использованы для поиска выживших, оказавшихся под завалами после разрушительного землетрясения. Подобно настоящим насекомым, эти роботы смогут пролетать через узкие пространства, недоступные для более крупных роботов, одновременно уворачиваясь от неподвижных препятствий и падающих обломков.
До сих пор беспилотные микророботы могли летать лишь медленно по плавным траекториям, что было далеко от быстрого и ловкого полета настоящих насекомых — до настоящего времени.
Исследователи из Массачусетского технологического института продемонстрировали летающих микророботов, способных летать со скоростью и ловкостью, сравнимыми с их биологическими аналогами. Команда разработала новый контроллер на основе искусственного интеллекта для этого роботизированного насекомого, который позволил ему следовать гимнастическим траекториям полета, например, выполнять непрерывные перевороты тела.
Благодаря двухэтапной схеме управления, сочетающей высокую производительность с вычислительной эффективностью, скорость и ускорение робота увеличились примерно на 450 и 250 процентов соответственно по сравнению с лучшими предыдущими результатами исследователей.
Быстрый робот оказался достаточно ловким, чтобы выполнить 10 последовательных сальто за 11 секунд, даже когда порывы ветра угрожали сбить его с курса.
Источник: Предоставлено Лабораторией мягкой и микроробототехники.
«Мы хотим иметь возможность использовать этих роботов в сценариях, в которых более традиционные квадрокоптеры испытывали бы трудности с полетом, но в которых могли бы ориентироваться насекомые. Теперь, благодаря нашей биоинспирированной системе управления, летные характеристики нашего робота сопоставимы с насекомыми по скорости, ускорению и углу тангажа. Это весьма важный шаг на пути к достижению этой цели», — говорит Кевин Чен, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники (EECS), руководитель лаборатории мягкой и микроробототехники в Научно-исследовательской лаборатории электроники (RLE) и соавтор статьи о роботе.
В работе над статьей к Чену присоединились соавторы И-Хсуан Сяо, аспирант кафедры электротехники и информатики Массачусетского технологического института; Андреа Тальябуэ, доктор философии (выпуск 2024 года); и Оуэн Мэттесон, аспирант кафедры аэронавтики и космонавтики (AeroAstro); а также аспирантка кафедры электротехники и информатики Сухан Ким; Тонг Чжао, магистр инженерных наук (выпуск 2023 года); и соавтор Джонатан П. Хоу, профессор инженерных наук имени Форда на кафедре аэронавтики и космонавтики и главный исследователь в Лаборатории информационных и систем принятия решений (LIDS). Исследование опубликовано сегодня в журнале Science Advances.
Контроллер искусственного интеллекта
Группа Чена занимается созданием роботизированных насекомых уже более пяти лет.
Недавно они разработали более прочную версию своего крошечного робота — устройства размером с микрокассету, которое весит меньше скрепки. Новая версия использует более крупные, машущие крылья, позволяющие совершать более маневренные движения. Они приводятся в движение набором мягких искусственных мышц, которые машут крыльями с чрезвычайно высокой скоростью.
Однако контроллер — «мозг» робота, определяющий его положение и указывающий, куда лететь, — был настроен вручную человеком, что ограничивало возможности робота.
Для того чтобы робот мог летать быстро и агрессивно, как настоящее насекомое, ему требовался более надежный контроллер, способный учитывать неопределенность и быстро выполнять сложные оптимизации.
Подобный контроллер был бы слишком ресурсоемким с точки зрения вычислительных ресурсов для развертывания в режиме реального времени, особенно с учетом сложной аэродинамики легкого робота.
Для решения этой задачи группа Чена объединила усилия с командой Хоу, и вместе они разработали двухэтапную схему управления на основе искусственного интеллекта, которая обеспечивает необходимую надежность для сложных и быстрых маневров, а также вычислительную эффективность, необходимую для выполнения операций в реальном времени.
«Развитие аппаратного обеспечения подтолкнуло нас к созданию контроллера, и у нас появилось больше возможностей для работы с программным обеспечением, но в то же время, по мере развития контроллера, расширялись и возможности аппаратной части. Когда команда Кевина демонстрирует новые возможности, мы показываем, что можем их использовать», — говорит Хоу.
На первом этапе команда разработала так называемый контроллер с предиктивным моделированием. Этот мощный контроллер использует динамическую математическую модель для прогнозирования поведения робота и планирования оптимальной последовательности действий для безопасного следования по заданной траектории.
Несмотря на высокую вычислительную нагрузку, система способна планировать сложные маневры, такие как сальто в воздухе, резкие повороты и агрессивные наклоны корпуса. Этот высокопроизводительный планировщик также учитывает ограничения на силу и крутящий момент, которые может приложить робот, что крайне важно для предотвращения столкновений.
Например, чтобы выполнить несколько переворотов подряд, роботу потребуется замедлиться таким образом, чтобы его начальные условия были точно подходящими для повторного выполнения переворота.
«Если закрадутся небольшие ошибки, и вы попытаетесь повторить этот трюк 10 раз с этими мелкими ошибками, робот просто разобьется. Нам нужна надежная система управления полетом», — говорит Хоу.
Они используют этот экспертный планировщик для обучения «политики» на основе модели глубокого обучения, чтобы управлять роботом в режиме реального времени посредством процесса, называемого имитационным обучением. Политика — это механизм принятия решений роботом, который указывает роботу, куда и как лететь.
По сути, процесс обучения на основе имитации сжимает мощный контроллер в вычислительно эффективную модель искусственного интеллекта, способную работать очень быстро.
Ключевым моментом было найти эффективный способ создания ровно столько обучающих данных, сколько необходимо для применения агрессивных мер.
«В основе этой методики лежит надежный метод тренировки», — объясняет Хоу.
Система, управляемая искусственным интеллектом, принимает на вход положение робота и в режиме реального времени выдает команды управления, такие как сила тяги и крутящий момент.
Поведение, подобное насекомому
В ходе экспериментов этот двухэтапный подход позволил роботу размером с насекомое летать на 447 процентов быстрее, при этом демонстрируя увеличение ускорения на 255 процентов. Робот смог выполнить 10 сальто за 11 секунд, и крошечный робот ни разу не отклонился от запланированной траектории более чем на 4 или 5 сантиметров.
«Эта работа демонстрирует, что мягкие и микророботы, традиционно ограниченные в скорости, теперь могут использовать передовые алгоритмы управления для достижения маневренности, приближающейся к маневренности насекомых и более крупных роботов, открывая новые возможности для мультимодального передвижения», — говорит Сяо.
Исследователи также смогли продемонстрировать саккадические движения, которые происходят, когда насекомые очень агрессивно наклоняются, быстро летят к определенной позиции, а затем резко наклоняются в другую сторону, чтобы остановиться. Это быстрое ускорение и замедление помогают насекомым определять свое местоположение и четко видеть.
«Такое имитирующее биомеханику поведение в полете может помочь нам в будущем, когда мы начнем устанавливать на робота камеры и датчики», — говорит Чен.
Одной из основных областей будущих исследований станет добавление датчиков и камер, позволяющих микророботам летать на открытом воздухе без необходимости подключения к сложной системе захвата движений.
Исследователи также хотят изучить, как бортовые датчики могут помочь роботам избегать столкновений друг с другом или координировать навигацию.
«Я надеюсь, что эта статья станет сигналом к сдвигу парадигмы для сообщества микроробототехников, показав, что мы можем разработать новую архитектуру управления, которая будет одновременно высокоэффективной и производительной», — говорит Чен.
«Эта работа особенно впечатляет, потому что эти роботы по-прежнему выполняют точные перевороты и быстрые повороты, несмотря на значительные погрешности, возникающие из-за относительно больших допусков при мелкосерийном производстве, порывов ветра со скоростью более 1 метра в секунду и даже обматывания силового троса вокруг робота во время выполнения им многократных переворотов», — говорит Сара Бергбрайтер, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, которая не принимала участия в этой работе.
«Хотя в настоящее время контроллер работает на внешнем компьютере, а не на борту робота, авторы демонстрируют, что аналогичные, но менее точные стратегии управления могут быть осуществимы даже при более ограниченных вычислительных возможностях робота размером с насекомое. Это захватывающе, поскольку указывает на перспективу создания в будущем роботов размером с насекомое, обладающих маневренностью, приближающейся к маневренности их биологических аналогов», — добавляет она.
Данное исследование частично финансируется Национальным научным фондом (NSF), Управлением военно-морских исследований, Управлением научных исследований ВВС, компанией MathWorks и стипендией Захарченко.
Источник: news.mit.edu
