Lenyűgöző sebességre és agilitásra képes az MIT új, rovarszerű robotja

A MIT kutatói olyan áttörést értek el az apró, rovarszerű repülő robotok fejlesztésében, amely lehetővé teszi, hogy a szerkezetek immár a valódi rovarokhoz hasonló agilitással mozogjanak. A fejlesztés eredményeként a robot képes gyors irányváltásokra és látványos légi manőverekre, például 11 másodperc alatt 10 egymást követő szaltóra. Ezek a kisméretű eszközök a jövőben kulcsszerepet játszhatnak katasztrófahelyzetekben, például földrengések utáni mentési munkálatok során, ahol a szűk, törmelékes terekben a hagyományos drónok nem képesek navigálni, miközben a robotok hatékonyan kerülik ki a falakat és a lehulló törmeléket.

A korábbi repülő mikrorobotok fejlesztése során a kutatók gyakran szembesültek azzal a problémával, hogy a szerkezetek lassúak voltak, és csak viszonylag egyszerű repülési útvonalakat tudtak követni. A mostani fejlesztés során a csapat egy olyan mesterséges intelligencián alapuló vezérlőrendszert dolgozott ki, amely drasztikusan megnövelte a robot teljesítményét. A kétlépcsős vezérlési architektúra célja az volt, hogy egyensúlyt teremtsen a nagy teljesítményű manőverezés és a számítási hatékonyság között, ami elengedhetetlen a valós idejű működéshez.

A fejlesztés eredményeként a robot sebessége mintegy 450 százalékkal, gyorsulása pedig körülbelül 250 százalékkal nőtt a korábbi legjobb eredményekhez képest. A tesztek során a robot még akkor is stabil maradt, amikor a környezeti széllökések megpróbálták letéríteni az előre meghatározott útvonaláról. Ez a stabilitás kritikus fontosságú a valós környezetben történő alkalmazás során, ahol a kiszámíthatatlan légáramlatok komoly kihívást jelentenek a könnyű szerkezetek számára.

Kevin Chen, az Electrical Engineering and Computer Science (EECS) tanszék docense, a Soft and Micro Robotics Laboratory vezetője szerint a cél az, hogy olyan környezetekben is bevethetőek legyenek ezek az eszközök, ahol a hagyományos kvadrokopterek elakadnának. „Olyan helyzetekben szeretnénk használni ezeket a robotokat, ahová a hagyományos kvadrokopterek nehezen jutnak be, de a rovarok képesek navigálni. Most, a bio-inspirált vezérlési keretrendszerünkkel a robotunk repülési teljesítménye sebesség, gyorsulás és dőlésszög tekintetében is összehasonlítható a rovarokéval. Ez egy igazán izgalmas lépés a jövőbeli cél felé” – nyilatkozta a kutató.

A kutatócsoport munkájában részt vett Yi-Hsuan Hsiao, Andrea Tagliabue, Owen Matteson, Suhan Kim, Tong Zhao, valamint Jonathan P. How, a Ford Professor of Engineering, aki a Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS) keretein belül végzi kutatásait. A tudományos eredményeket a Science Advances folyóiratban publikálták, részletezve azokat a technikai megoldásokat, amelyek lehetővé tették a robot „agyának” fejlesztését.

A robot fizikai kialakítása is jelentős változásokon ment keresztül az elmúlt öt év során. A jelenlegi verzió egy mikro-kazetta méretével vetekszik, és súlya kevesebb, mint egy gémkapocsé. A nagyobb szárnyfelület és a lágy, mesterséges izmok lehetővé teszik a rendkívül gyors szárnycsapásokat, amelyek a repüléshez szükséges tolóerőt biztosítják. Korábban a vezérlőrendszer finomhangolását kézzel kellett elvégezni, ami lassú és pontatlan folyamat volt, de az új AI-alapú megközelítés ezt a korlátot is áthidalta.

A vezérlőrendszer első része egy úgynevezett modell-prediktív vezérlő, amely matematikai modellek segítségével tervezi meg a robot viselkedését. Ez a módszer képes előre jelezni a repülési útvonalat és a szükséges manővereket, figyelembe véve a robot fizikai korlátait, például a maximális erőkifejtést és a nyomatékot. A bonyolult manőverek, mint például a szaltók, precíz időzítést igényelnek, mivel a legkisebb hiba is a robot zuhanásához vezethetne.

A kutatók ezt a szakértői tervezőt használták fel egy mélytanulási modell betanítására, egy utánzó tanulási folyamat révén. Ez a „politika” a robot valós idejű döntéshozó rendszere, amely a beérkező adatok alapján azonnal meghatározza a szükséges tolóerőt és nyomatékot. A módszer sikerének titka a robusztus képzési folyamat, amely lehetővé teszi, hogy a robot feleslegesen nagy adathalmazok nélkül is megtanulja az agresszív manővereket.

A kísérletek során a robot nemcsak gyorsabbá vált, hanem a repülési pontossága is javult: a tervezett útvonaltól mindössze 4-5 centiméteres eltéréssel hajtotta végre a manővereket. Yi-Hsuan Hsiao kiemelte, hogy ez a munka bizonyítja, hogy a hagyományosan lassú mikrorobotok a fejlett algoritmusok segítségével képesek megközelíteni a természetes rovarok agilitását, ami új távlatokat nyit a multimodális helyváltoztatásban.

A kutatók egy úgynevezett szakkád mozgást is demonstráltak, amely során a robot élesen megdönti a testét, gyorsan új pozícióba kerül, majd az ellenkező irányba dőlve megáll. Ez a gyors gyorsítás és fékezés a rovaroknál a tájékozódást és a tiszta látást segíti. A jövőben a fedélzeti kamerák és szenzorok integrálásával a robotok képesek lehetnek a környezetük aktív érzékelésére és a teljesen autonóm navigációra.

A ScienceDaily beszámolója szerint a kutatás egyik fő célkitűzése a jövőre nézve, hogy a robotok képesek legyenek kültéren, külső mozgáskövető rendszerek nélkül is repülni. Emellett a csapat azt is vizsgálja, hogyan koordinálhatják a robotok csoportos mozgását, hogy elkerüljék az ütközéseket és hatékonyan navigáljanak közös térben. Kevin Chen reméli, hogy ez a tanulmány paradigmaváltást jelent a mikrorobotika területén, megmutatva, hogy a nagy teljesítményű és hatékony vezérlési architektúrák fejlesztése lehetséges.

A projektet többek között a National Science Foundation (NSF), az Office of Naval Research, az Air Force Office of Scientific Research, a MathWorks és a Zakhartchenko Fellowship támogatta. A technológia iránti széles körű érdeklődés is jelzi, hogy a mikrorobotok fejlesztése stratégiai jelentőséggel bír a jövőbeli robotikai alkalmazásokban, különösen a kutatás-mentés és a felderítés területén.

A tudományos közösség számára a publikáció új irányt mutat a flapping-wing, azaz csapkodó szárnyú repülő robotok vezérlésében. A mélytanuláson alapuló robusztus modell-prediktív vezérlés alkalmazása olyan megoldásokat kínál, amelyek korábban elérhetetlennek tűntek a mikroméretű repülőgépek számára. A kutatók szerint a következő években a szenzorok miniatürizálása és az energiahatékonyság további növelése lesz a legfontosabb feladat.

A fejlesztés során szerzett tapasztalatok nemcsak a repülő robotok, hanem más, hasonló méretű autonóm rendszerek számára is hasznosak lehetnek. A bio-inspirált vezérlési keretrendszer rugalmassága lehetővé teszi, hogy a jövőben más típusú mozgásokat is implementáljanak a robotokba, tovább bővítve azok alkalmazási lehetőségeit. A kutatók folyamatosan dolgoznak a hardver és a szoftver közötti szinergia javításán, hogy a robotok még komplexebb feladatokat is elláthassanak.

Összességében az MIT kutatócsoportjának munkája egy jelentős lépés a jövő autonóm mikrorobotjai felé. A sebesség, az agilitás és a vezérlési hatékonyság kombinációja olyan képességeket biztosít ezeknek a gépeknek, amelyek korábban csak a természetben voltak megfigyelhetőek. A technológia érettsége és a folyamatos fejlesztések révén a mikrorobotok hamarosan valós segítséget nyújthatnak az emberiség számára a legnehezebben megközelíthető helyeken is.

A kutatók hangsúlyozzák, hogy a jövőbeli fejlesztések során a biztonság és a megbízhatóság lesz a legfontosabb szempont. Mivel ezek a robotok gyakran emberi környezetben fognak dolgozni, a pontos navigáció és az ütközéselkerülés alapvető követelmény. A mostani eredmények azonban biztató alapot adnak ahhoz, hogy a következő években a mikrorobotok a mindennapi technológiai eszköztárunk részévé váljanak.

A tudományos munka jelentőségét az is mutatja, hogy a kutatók által kidolgozott módszertan más kutatócsoportok számára is elérhetővé teszi a hasonló teljesítményű rendszerek fejlesztését. A nyílt tudományos megközelítés és a részletes publikációk hozzájárulnak a terület gyorsabb fejlődéséhez, ami végső soron a technológiai innovációt szolgálja.

A kutatócsoport továbbra is elkötelezett a mikrorobotika határainak feszegetése mellett. A következő kísérletek során a robotok kültéri teljesítményét és az energiaellátás optimalizálását fogják vizsgálni, ami elengedhetetlen a hosszabb idejű, önálló repülésekhez. A cél egy olyan platform létrehozása, amely képes a legkülönfélébb környezeti kihívásoknak is megfelelni, miközben megőrzi a rovarszerű mozgás minden előnyét.