Научиха робот-колибри да лети като истинската птичка
Най-малката птичка колибри е известна с това, че съчетава начина на летене на птиците и насекомите. Изследователи от Университета Пардю, Илинойс са разработили орнитоптер, имитиращ полета на колибрито. За летящия робот са разработени алгоритми за машинно обучение, които му позволяват да симулира всички особености в техниката на летене на птичката. Екипът ще представи своята работа на 20 май на Международната конференция по робототехника и автоматизация (International Conference on Robotics and Automation) ICRA019 в Монреал.
Колибрите са известни със своята техника на полет, позволяваща им да извършват маневри, невъзможни за много други птици. Например, те са способни да зависват на едно място, да се движат напред, нагоре и надолу, и даже назад. По време на полет крилото на колибрито постоянно се намира в разтворено състояние и описва осмици по време на всеки цикъл. Благодарение на завъртването на плоскостта на крилото, то създава подемна сила както при движението напред, така и назад.
Изследователите от години се опитват да декодират полета на колибри, така че роботите да могат да летят там, където по-големите дронове не могат. През 2011 г. компанията AeroVironment, по поръчка от DARPA, агенция в американското министерство на отбраната, изгради робот-колибри, който беше по-тежък от истинското, не толкова бърз , с контролиран от хеликоптер полетен контрол и ограничена маневреност. При него се изискваше човек да бъде постояно зад дистанционното управление.
Синян Денг (Xinyan Deng) и колегите и от Университета Пердю , Илинойс, САЩ от няколко години работят в тази насока. За тази цел, те прекарали няколко лета в Монтана, изследвайки полетите на колибри. Тези техни наблюдения са в основата на компютърните алгоритми, помагащи на робота да симулира полета на миниатюрните птички. Дроновете по принцип не могат да бъдат много малки, заради принципите на конвенциалната аеродинамика и невъзможността за създаване на достатъчно подемна сила. Но при колибрите конвенционалната аеродинамика не работи, защото крилата им са еластични. Както отбелязва Денг „Физиката при тях е друга. Аеродинамиката е нестабилна по своята същност, с високи ъгли на атака и голяма подемна сила.”
Разработеният летящ робот има 3D разпечатан симетричен корпус. Снабден е с два електродвигателя на постоянен ток, които позволяват всяко крило да бъде управлявано самостоятелно, което дава възможност за извършването на сложни маневри. Всеки от двигателите е свързан с горна твърда връзка, на която е закрепено мекото полимерно крило от въглеродни влакна и лазерно изрязани мембрани. По време на полет крилото на робота трепти с честота от 34Hz, която е сравнима с честотата при полет на истинските колибри.Теглото на орнитоптера е 12 грама, аналогично на теглото на възрастно колибри. Изследователите имат разработен и друг робот с тегло от 1 грам.
Photo:Pardue University
В сегашната реализация роботът получава енергия и команди, благодарение на проводник, а положението се следи с помощта на външни камери и инфрачервени маркери. Изследователите отбелязват, че по време на изпитанията , роботът е повдигал товар с тегло по-голямо от неговото. Така в перспектива той може да бъде снабден с оборудване, като батерии, сензори, камери, GPS, позволяващи му абсолютно автономен полет.
Изследователите демонстрират как орнитоптерът може да зависва във въздуха и да се предвижва към нужната му точка. Освен това , те показват, как конструкцията му и алгоритмите, заложени в робота, могат да се справят с извънредни ситуации. Например, на демонстрационното видео може да се види как роботът извършва стабилен полет при различна дължина на крилете и даже при разрушаване на края на крилото по време на полет.
Но едно от главните му преимущества е възможността да открива препятствия или приближаването на хоризонтална повърхност, благодарение на изменението на силата на тока в електродвигателите, задвижващи крилата. За тази цел учените са разработили алгоритъм, следящ тока, използван от електродвигателите. На тази база орнитоптерът може да определя близостта си до пода, благодарение на възникващата подемна сила заради екранния ефект. С помощта на този алгоритъм инженерите научили робота да лети на една и съща височина независимо от релефа. Освен това, той може да открива сблъсък с препятствие и неговото примерно разположение спрямо корпуса, следейки за съотношението на тока в двата двигателя и рязкото изменение в единия от тях.
„Роботът може по същество да създаде карта, без да вижда околностите. Това може да бъде полезно в ситуация, в която роботът трябва да търси на тъмно място” –казва Денг.
Друго предимство на този робот е изключително тихия режим на полет. Това ще му позволява да бъде използван в тайни операции. Но особено полезен орнитоптерът може да бъде при акции със разрушени сгради, труднодостъпни места и затрупани жертви, където друга техника трудно би се справила. Освен това биолози планират чрез роботът да изследват колибри в тяхната естествена среда.
„Научихме се от биологията как да направим робот, а сега той може да помогне за биологични открития” – казва Денг.
