Hummingbird-robot bruger AI til snart at gå, hvor droner ikke kan

Hvad kan flyve som en fugl og svæve som et insekt?

Dine venlige kolibrier i nabolaget. Hvis droner havde denne kombination, de ville være i stand til at manøvrere bedre gennem kollapsede bygninger og andre rodede rum for at finde fangede ofre.

Purdue University forskere har konstrueret flyvende robotter, der opfører sig som kolibrier, trænet af maskinlæringsalgoritmer baseret på forskellige teknikker fuglen bruger naturligt hver dag.

Det betyder, at efter at have lært af en simulering, robotten "ved" hvordan man bevæger sig rundt på egen hånd som en kolibri ville, såsom at skelne, hvornår man skal udføre en flugtmanøvre.

Kunstig intelligens, kombineret med fleksible flagrende vinger, giver også robotten mulighed for at lære sig selv nye tricks. Selvom robotten ikke kan se endnu, for eksempel, den sanser ved at røre ved overflader. Hver berøring ændrer en elektrisk strøm, som forskerne indså, at de kunne spore.

"Roboten kan i det væsentlige skabe et kort uden at se dens omgivelser. Dette kan være nyttigt i en situation, hvor robotten måske leder efter ofre på et mørkt sted - og det betyder en sensor mindre at tilføje, når vi giver robotten mulighed for at se, " sagde Xinyan Deng, en lektor i maskinteknik ved Purdue.

Forskerne vil præsentere deres arbejde den 20. maj på 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation i Montreal.

Droner kan ikke gøres uendeligt mindre, på grund af den måde, konventionel aerodynamik fungerer på. De ville ikke være i stand til at generere nok løft til at støtte deres vægt.

Men kolibrier bruger ikke konventionel aerodynamik - og deres vinger er modstandsdygtige. "Fysikken er simpelthen anderledes; aerodynamikken er i sagens natur ustabil, med høje angrebsvinkler og højt løft. Dette gør det muligt for mindre, flyvende dyr til at eksistere, og også muligt for os at nedskalere flappende vingrobotter, " sagde Deng.

Forskere har i årevis forsøgt at afkode kolibrier flyvning, så robotter kan flyve, hvor større fly ikke kan. I 2011 virksomheden AeroVironment, bestilt af DARPA, et agentur inden for det amerikanske forsvarsministerium, byggede en robotkolibri, der var tungere end en rigtig, men ikke så hurtig, med helikopterlignende flyvekontrol og begrænset manøvredygtighed. Det krævede, at et menneske hele tiden var bag en fjernbetjening.

Dengs gruppe og hendes samarbejdspartnere studerede selv kolibrier i flere somre i Montana. De dokumenterede vigtige kolibrimanøvrer, som at lave en hurtig 180-graders vending, og oversat dem til computeralgoritmer, som robotten kunne lære af, når den blev koblet til en simulering.

Yderligere undersøgelse af insekters og kolibriers fysik gjorde det muligt for Purdue-forskere at bygge robotter, der var mindre end kolibrier - og endda så små som insekter - uden at gå på kompromis med den måde, de flyver på. Jo mindre størrelse, jo større vingeflapfrekvens, og jo mere effektivt de flyver, siger Deng.

Robotterne har 3-D-printede kroppe, vinger lavet af kulfiber og laserskårne membraner. Forskerne har bygget en kolibri robot, der vejer 12 gram-vægten af ​​den gennemsnitlige voksne Magnificent Hummingbird-og en anden robot i insektstørrelse, der vejer 1 gram. Kolibrirobotten kan løfte mere end sin egen vægt, op til 27 gram.

At designe deres robotter med højere løft giver forskerne mere slingreplads til i sidste ende at tilføje et batteri og sensorteknologi, såsom et kamera eller GPS. I øjeblikket, robotten skal være bundet til en energikilde, mens den flyver – men det varer ikke meget længere, siger forskerne.

Robotterne kunne flyve lydløst, ligesom en rigtig kolibri gør, gør dem mere ideelle til hemmelige operationer. Og de forbliver stabile gennem turbulens, hvilket forskerne demonstrerede ved at teste de dynamisk skalerede vinger i en olietank.

Robotten kræver kun to motorer og kan styre hver vinge uafhængigt af den anden, hvilket er, hvordan flyvende dyr udfører meget adrætte manøvrer i naturen.

"En ægte kolibri har flere grupper af muskler til at udføre kraft- og styreslag, men en robot skal være så let som muligt, så du har maksimal ydeevne på minimal vægt, " sagde Deng.

Robotiske kolibrier ville ikke kun hjælpe med søg-og-redningsmissioner, men giver også biologer mulighed for mere pålideligt at studere kolibrier i deres naturlige miljø gennem sanserne af en realistisk robot.

"Vi lærte af biologien at bygge robotten, og nu kan biologiske opdagelser ske med ekstra hjælp fra robotter, " sagde Deng.

Simuleringer af teknologien er tilgængelige open source på https://github.com/purdue-biorobotics/flappy.

Tidlige stadier af arbejdet, inklusive Montana kolibri-eksperimenterne i samarbejde med Bret Tobalskes gruppe ved University of Montana, blev økonomisk støttet af National Science Foundation.