Роботи като тези на Festo могат да бъдат използвани през следващото десетилетие за реагиране при извънредни ситуации или за лов на безпилотни летателни апарати, представляващи заплаха за безопасността и сигурността.
Безпилотните летателни апарати (БЛА) ще формират една нарастваща индустрия от няколко милиарда долара през следващите години, с увеличаващ се потенциал за широк спектър от приложения от спешна помощ до доставка на лекарства, доставки по домовете и прецизно земеделие.
В съответствие с това се полагат усилия за повишаване на ефективността на полета и интелигентността на БЛА за по-добро ориентиране в изградената среда. Разнообразни изследователски групи черпят вдъхновение от природата, често от птиците – едно оригинално вдъхновение за полет управляван от хора.
Професор Анибал Олеро, електроинженер от Университета в Севиля (Испания), казва, че стандартните безпилотни летателни апарати с витла в момента могат да летят за около 20 до 30 минути, но че подобните на птици конструкции, върху които той работи, имат потенциал поне да удвоят това време.
„Конвенционалните мултиротори са много ограничени по отношение на времето на полета и обхвата“, казва той. „Искаме да увеличим този диапазон, като използваме вятъра и въздушните потоци.“
Проектът GRIFFIN, който той ръководи, се стреми да създаде прототипи на изключително автономни, свръхлеки роботизирани птици, които могат да сведат до минимум енергията в полет, да кацат на неравни повърхности, да изпълняват задачи с движещи се крайници и изкуствени човки и интелигентно да взаимодействат с хората и околната среда.
Птиците могат да носят и вградени бордови компютри и камери за визуална навигация.
“Птиците имат много сложно тяло и проявяват сложно поведение. Това, което използваме, е вдъхновението от птиците да извлечем подходящи характеристики за нашите роботизирани орнитоптери – апарати, летящи посредством махане с криле“, казва проф. Олеро.
Като птици
С цел пестене на енергия, една от насоките на изследователите е да се използва вятъра, за да позволи на роботите да се издигат като птици, комбинирайки това с махане при нужда.
Освен потенциално повишаване на ефективността, проф. Олеро казва, че подобен на птица дизайн има предимства като способността да намалява шума и да подобрява безопасността в определени ситуации поради липсата на витла и използването на меки, гъвкави материали като микрофибърни композити и найлон за крила и опашка.
Това означава, че те могат да бъдат използвани, например, за кацане при ранени хора и извършване на биометрични измервания или поставяне на маска върху тях в опасна среда.
„Витлата не са добри за това взаимодействие – те могат да наранят хората“, отбелязва проф. Олеро.
Друго приложение е в така наречената „проверка на контактите“ в промишлени предприятия, в райони, където може да е опасно да работят хора поради наличието на газове. В такива случаи робот може да кацне върху тръба и да измери дебелината ѝ, за да установи дали има корозия.
Досега екипът е демонстрирал полет с махащи крила както на закрито, така и на открито, и способността за кацане на малка квадратна платформа с широчина 20 до 30 сантиметра. Следващото предизвикателство, за което проф. Олеро казва, че „не е тривиално“, е да накараме птиците да кацат върху обли повърхности като стълбове или кабели, без да губят равновесие, и след това да се координират други функции.
“Това, което искаме да демонстрираме, са тези комбинирани способности: да могат да летят, докато пестят енергия, да могат да кацат и да могат да манипулират крайниците си като птици.”
Предизвикателства
За кацане, както и за захващане, екипът работи с материали, наречени сплави с памет за форма, за да създаде био-вдъхновени нокти, които могат да се деформират, така че да се увият около прът – нещо, което проф. Олеро смята, че ще бъде възможно по-късно тази година, когато се комбинира с машинно обучение. Той също така иска да добави интелигентно усещане на вятъра за по-добро използване на въздушните потоци.
Освен сложността на координиращите функции, има и някои други големи предизвикателства, които трябва да се преодолеят. От една страна преходът между размахване и плъзгане е труден, докато в зависимост от колебанията на околната среда не винаги е надежден. Като леки птици с бордово оборудване, има и предизвикателства с товара, който могат да носят – въпреки че според проф. Олеро те имат достатъчно капацитет да транспортират дребен товар като лекарства например.
„Има много работа за интегрирането на нови технологии, свързани с материалознанието, механиката, аеродинамиката и изкуствения интелект в нашите роботизирани птици“, добавя още той, но все пак смята, че такива птици биха могли да започнат да изпълняват практически задачи до 2030 г.
Визуалната навигация е друго предизвикателство за птиците роботи, нещо, което проектът HawkEye изследва. Неговите проучвания за това как зрението насочва полета при птиците могат потенциално да се превърнат в по-ефективни системи за насочване на БЛА.
Доскоро зрението по време на полет на птиците беше малко изучавано, казва професор Греъм Тейлър, математически биолог от университета в Оксфорд (Великобритания), който ръководи HawkEye. “Просто е много трудно да се учи в полет. Това е предизвикателство, докато не получите миниатюризиран комплект.“
Миниатюризация
Сега миниатюризацията стана възможна чрез разработки в технологиите на мобилните телефони, позволяващи създаването на неинвазивни прикрепящи се сензори и маркери за измерване на движенията на главите, очите и тялото на птиците с, както проф. Тейлър се изразява – „прецизност под милиметър“. Като ключова част от проекта изследователите използват тези миниатюрни камери и системи за заснемане на движение, за да позволят 3D реконструкции на това, което птиците виждат в полет.
Неговият екип изучава как птиците използват зрението в „целенасочено поведение“, включително преследване на плячка и маневриране около препятствия.
HawkEye разкри различни стратегии. Екипът установи, че соколите скитници (Falco peregrinus) използват визуална обратна връзка за насочване и визуално направление, което ги прави изключително ефективни при преследване на плячка, движеща се по равна, права линия.
За разлика от това, по-късно проучване установи, че мишеловите на Харис (Parabuteo unicinctus) използват стратегия на „смесено насочване“, за да преследват плячката през „разхвърляни“ местообитания като пустиня или гора, подобрявайки характеристиките за преследване на бързо подвижни и често сменящи посоката си цели.
Сокол скитник (Falco peregrinus) в полет.
Освен възможността да се прилагат тези знания в навигационните системи, те могат да бъдат използвани, за да помогнат на летящите превозни средства да прихващат безпилотни летателни апарати, които представляват заплаха. Въпреки че са разработени визуално управлявани системи за прихващане на ракети, блокирането на безпилотни самолети в по-пренаселеното градско въздушно пространство на градовете и стадионите създава ново предизвикателство, посочва проф. Тейлър.
Това може да придобие значение предвид очаквания ръст на безпилотните самолети, казва той, отбелязвайки уплахата от безпилотни самолети през 2018 г. на лондонското летище Гетуик, което затвори пистата за 33 часа и се очакваше това да струва на авиокомпаниите десетки милиони евро.
Полети
След като е наблюдавал над 20 000 полета на ястреби, соколи, чинки и гълъби, проф. Тейлър заявява, че екипът му е придобил силно разбиране за основните механизми, участващи в преследването и избягването на препятствия, както и за кацането.
„Сега имаме наистина добро разбиране за това как птиците използват зрението, за да го направят ефективно в една динамична среда“, казва той. „Време е биомеханиката и изучаването на полета да навлязат в ерата на големите данни.“
Проф. Тейлър добавя, че въпреки сложното поведение на птиците на повърхността, изглежда е имало относително прост основен закон за математическо насочване, който улавя повечето от поведенията, анализирани от HawkEye, което потенциално опростява създаването на алгоритми в БЛА, които след това могат да бъдат променени за различни цели .
„Това ни дава обща рамка за разбиране на цяла гама от поведения, които първоначално може да не изглеждат тясно свързани“, обяснява той. „След като разбрахме алгоритмите, следващата стъпка е да започнем ги да прилагаме на дронове.“
Алгоритмите могат да бъдат приложени за изучаване на други сложни поведения в природата, докато по-добрите познания за птиците и тяхната визия могат да помогнат да се разбере как са се развили, за да се справят с различни задачи и да помогнат за проектиране на структури като сгради и вятърни турбини с реплики за да се предотврати блъскането на птици в тях.
Енрико Аянич, докторант по роботика в EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) в Швейцария, който работи върху вдъхновени от хищни птици безпилотни летателни апарати с изкуствени пера, казва че различните видове дронове имат различни предимства в момента – като мултироторите са пъргави но със сравнително ниска издръжливост, докато крилатите дронове в момента са склонни да имат висока издръжливост, но ниска пъргавина.
„Има много уроци, които можем да научим от птиците“, добавя той. „Те са висококвалифицирани летци, които могат да превключват на много различни режими на полет – бърз, извисяващ се, пъргав и бавен полет, ако трябва да назовем само няколко.“
Гълъби
Аянич казва, че освен от хищниците, изследователите могат да научат много и от различни други видове птици. Например, въпреки лошата си репутация, гълъбите също са отличен модел за изследване, тъй като те могат едновременно надеждно да се ориентират в градовете и да летят ефективно на големи разстояния.
Но все още има много предизвикателства, като чувствителността на подобните на птици дронове към вятъра. Има и много въпроси, на които трябва да се отговори, за да се подобри както биологичното разбиране на птиците, така и как това може да се приложи при дроновете, включително как птиците извиват опашките си при плъзгане по въздуха и как да оптимизират способността на крилата да се трансформират.
„Има още много работа, която да се свърши, преди дори да можем да направим приблизителна оценка на летателните способности на птиците“, добави професор Дарио Флореано, директор на Лабораторията за интелигентни системи на EPFL и докторски съветник на Аянич. “Птиците не само летят, но и се координират помежду си, взаимодействат и променят околната среда и взимат сложни автономни решения, каквито нашите безпилотни летателни апарати трудно могат да съчетаят.”
И все пак, въпреки че безпилотните самолети могат да генерират безпокойство и риск от вмешателство в личния живот и пространство на хората, той смята, че има повече положителни потенциални въздействия, отколкото негативни – безпилотните летателни апарати, вдъхновени от птици, имат възможност значително да оформят бъдещето на безпилотните самолети.
„Такива безпилотни летателни апарати ще играят важна роля в подпомагането на човечеството при мисии за издирване и спасяване, помощ при бедствия или ефективни доставки“, прогнозира проф. Флореано. “За да изпълнят успешно тези мисии, те ще трябва да се ориентират автономно в сложна среда. По този начин предизвикателствата, които трябва да преодолеят такива безпилотни самолети, са много сходни с предизвикателствата, с които се справят птиците всеки ден.“
Източник: horizon-magazine.eu
Превод: Радослав Тодоров
