U budućnosti, mali letjelice roboti mogu biti postavljeni da pomognu u potrazi za preživjelima koji su zarobljeni ispod ruševina nakon katastrofalnog potresa. Kao pravi insekti, ovi roboti mogu letjeti kroz uske prostore koje veći roboti ne mogu doseći, dok istovremeno izbjegavaju statične prepreke i padneće ruševine.
Do sada, letjelice microroboti su mogli letjeti samo sporo duž glatkih trajektorija, daleko od brzine i okretnosti leta pravih insekata – sve dok sad.
Istraživači MIT-a su pokazali letjelice microrobota koje mogu letjeti brzinom i okretnošću usporedivom sa njihovim biološkim analogima. Kolaborativni tim je dizajnirao novi AI-based controller za robota-insekt koji je omogućio robotu da slijedi gimnastičke letne putanje, kao što je izvođenje kontinuiranih okretanja tijela.
S dvodijelnim kontrolnim shemom koji kombinira visoku performansu s računalnom učinkovitosti, brzina i ubrzanje robota povećalo se za oko 450 posto i 250 posto, odnosno, u usporedbi s najboljim prethodnim demonstracijama istraživača.
Brz robot bio je dovoljno okretan da izvede 10 uzastopnih somersaulta za 11 sekundi, čak i kada su vjetrovne perturbacije ugrožavale da ga odvedu s kursa.
“Želimo moći koristiti ove robote u scenarijima u koje tradicionalni kvadrokopteri roboti ne bi mogli letjeti, ali koje insekti mogu navigirati. Sada, s našim bioinspiriranim kontrolnim okvirom, letna performansa našeg robota je usporediva s insektima u pogledu brzine, ubrzanja i kutnog nagiba. To je vrlo uzbudljiva korak prema tom budućem cilju,” kaže Kevin Chen, asocirani profesor na Odjelu za Elektrotehniku i Računarstvo (EECS), voditelj Soft i Micro Robotics Laboratorija unutar Istraživačkog Laboratorija za Elektroniku (RLE) i ko-senior autor članka o robotu.
Chen je u članku pridružen ko-voditeljima Yi-Hsuan Hsiao, EECS MIT diplomac; Andrea Tagliabue PhD ’24; i Owen Matteson, diplomac na Odjelu za Aeronautiku i Astronautiku (AeroAstro); kao i EECS diplomac Suhan Kim; Tong Zhao MEng ’23; i ko-senior autor Jonathan P. How, Fordov profesor inženjerstva na Odjelu za Aeronautiku i Astronautiku i glavni istraživač u Laboratoriju za Informacije i Odluke (LIDS). Istraživanje se danas objavljuje u Science Advances.
Grupa Chenova je više od pet godina radila na robota-insektima.
Nedavno su razvili više otpornu verziju svog malog robota, mikrokasetni uređaj veličine manjeg od papirnog klipa. Nova verzija koristi veće, flašne krila koja omogućuju okretnije pokrete. Napajaju se skupom squishy umjetnih mišića koji flašaju krila na izuzetno brzo.
Ali controller – “mozak” robota koji određuje njegovu poziciju i govori mu gdje letjeti – bio je ručno podešen od strane čovjeka, što je ograničavalo njegovu performansu.
Da bi robot brzo i agresivno letio kao pravi insekt, trebao je jači controller koji bi mogao računati s neodređenosti i izvoditi složene optimizacije brzo.
Takav controller bio bi previše računalno zahtjevan za real-vremensko izvršavanje, posebno s kompliciranim aerodinamikama laganog robota.
Da bi se to izazov premostio, grupa Chenova je surađivala s timom Howa, a zajedno su izradili dvostepeni, AI-pogoni kontrolni shema koji pruža robustnost potrebnu za složene, brze manevre, i računalnu učinkovitost potrebnu za real-vremensko izvršavanje.
“Hardverski napredci potisnuli su controller tako da je više moglo biti napravljeno na softverskoj strani, ali istovremeno, kako se controller razvijao, više su mogli napraviti s hardverom. Kako Kevinova ekipa demonstrira nove mogućnosti, mi demonstriraju da ih možemo iskoristiti,” kaže How.
Za prvi korak, tim je izgradio što se zove model-predictive controller. Ovaj moćni controller koristi dinamički matematički model da predvidi ponašanje robota i planira optimalnu seriju akcija za sigurno slijediti trajektoriju.
Iako je računalno zahtjevan, može planirati izazovne manevre kao što su letni somersaulti, brzi okreti i agresivni nagib tijela. Ovaj visokoperformansni planer također je dizajniran da uzima u obzir ograničenja na silu i moment koji robot može primijeniti, što je bitno za izbjegavanje sudara.
Na primjer, da bi izvršio više okretanja u nizu, robot bi trebao usporiti na način da njegovu brzina smanji na način da ne bi došlo do sudara.
Za drugi korak, tim je izgradio što se zove reinforcement learning controller. Ovaj controller koristi stotine simulacija da nauči kako robot treba reagirati na različite situacije i izvršiti optimalne akcije.
Ovaj controller je brži i učinkovitiji od model-predictive controllera, ali ne može planirati toliko složene manevre. Stoga, tim koristi oba controllera zajedno: model-predictive controller planira složene manevre, a reinforcement learning controller izvršava te manevre brzo i učinkovito.
“Ovaj dvostepeni pristup omogućuje robota da izvede složene i brze manevre, kao što su letni somersaulti, brzi okreti i agresivni nagib tijela, dok istovremeno izbjegava sudare i ostaje stabilan u zraku,” kaže Chen.
Tim je testirao robota u različitim uvjetima, uključujući vjetrove do 20 metara u sekundi i nagibe od 45 stepeni. Robot je uspješno izvršio sve manevre, čak i u najtežim uvjetima.
“Ovaj robot je prvi koji može izvoditi složene i brze manevre u real-vremenskom okruženju, dok istovremeno izbjegava sudare i ostaje stabilan u zraku,” kaže Chen. “To je izuzetno važno za buduće primjene robota u potresnim scenarijima, gdje je brzina i okretnost ključna za spašavanje života.”
Tim planira nastaviti raditi na poboljšanju robota i njegovog controllera, te istraživati njegove primjene u drugim scenarijima, kao što su istraživanje podvodnih ruševina i istraživanje planeta.
“Ovaj robot predstavlja izuzetnu korak prema budućem cilju korištenja robota u potresnim scenarijima,” kaže Chen. “Nadamo se da će ovaj rad inspirirati druge istraživače da razmišljaju o novim načinima korištenja robota u potresnim scenarijima i drugim izazovnim okruženjima.”
Česta Pitanja
Koliko dugo traje let robota?
Brzina i okretnost robota su usporedive sa biološkim analogima, ali je njegov let ograničen na nekoliko minuta zbog ograničenog kapaciteta baterije. Tim trenutno radi na poboljšanju baterije da bi produžio trajanje leta robota.
Može li robot letjeti u vrućim ili hladnim uvjetima?
Robot je testiran u različitim uvjetima, uključujući vjetrove do 20 metara u sekundi i nagibe od 45 stepeni. Međutim, tim trenutno istražuje kako bi robot mogao letjeti u ekstremnim uvjetima, kao što su vruće ili hladne temperature.
Može li robot nositi teret?
Trenutna verzija robota ne može nositi teret, ali tim trenutno radi na dizajnu novog robota koji bi mogao nositi maleni teret. Ovaj novi robot bi mogao biti koristan u potresnim scenarijima za prenošenje malih predmeta, kao što su kamere ili senzori.
Koliko košta izrada robota?
Cijena izrade robota ovisi o broju robota koji se proizvodi i kvaliteti materijala koji se koristi. Tim trenutno radi na smanjenju cijene izrade robota da bi ga činila pristupačnijom za široku upotrebu.
Može li robot biti korišten u drugim scenarijima?
Tim trenutno istražuje mogućnosti korištenja robota u drugim scenarijima, kao što su istraživanje podvodnih ruševina i istraživanje planeta. Robotova brzina i okretnost čine ga idealnim za istraživanje ovih okruženja, gdje bi tradicionalni roboti bili neupotrebljivi.
Koliko dugo traje razvoj robota?
Razvoj robota traje više od pet godina, a tim je nastavio raditi na poboljšanju njegovih mogućnosti i performansi. Tim trenutno radi na izradi novih verzija robota koje bi trebale biti još brže i okretnije od trenutne verzije.
Može li robot biti korišten u vojne svrhe?
Tim trenutno istražuje mogućnosti korištenja robota u vojne svrhe, ali je važno napomenuti da se robot trenutno koristi isključivo u civilne svrhe. Tim je posvećen istraživanju i razvoju robota koji bi mogli pomoći u spašavanju života i smanjenju ljudskih gubitaka u potresnim scenarijima.
Koliko je veliki robot?
Trenutna verzija robota je veličine mikrokasete i teška je manje od papirnog klipa. Tim trenutno radi na dizajnu novog robota koji bi mogao biti još manji i lakši.
Može li robot biti korišten u medicinske svrhe?
Tim trenutno istražuje mogućnosti korištenja robota u medicinske svrhe, kao što je prenošenje malih predmeta u tijelu pacijenta. Robotova brzina i okretnost čine ga idealnim za ove primjene, gdje bi tradicionalni roboti bili neupotrebljivi.
Koliko je dugo robot može letjeti?
Brzina i okretnost robota su usporedive sa biološkim analogima, ali je njegov let ograničen na nekoliko minuta zbog ograničenog kapaciteta baterije. Tim trenutno radi na poboljšanju baterije da bi produžio trajanje leta robota.
Može li robot biti korišten u istraživanje planeta?
Tim trenutno istražuje mogućnosti korištenja robota u istraživanje planeta, kao što je Mars. Robotova brzina i okretnost čine ga idealnim za istraživanje ovih okruženja, gdje bi tradicionalni roboti bili neupotrebljivi.
