Одной из наиболее сложных задач, с которыми сталкиваются разработчики автономных роботов, является оперативное составление карты незнакомой местности в ходе первого прохождения по ней. Но с подобной задачей легко справляются, например, летучие мыши, используя эхолокацию, или ориентировку в пространстве при помощи звуков.
Эхолокация в природе - одна из самых впечатляющих , основанная на отражении звуковых волн и их восприятии живыми организмами. Её используют , землеройки, ночные бабочки совки, некоторые ластоногие и даже птицы. Благодаря этим способностям животные с лёгкостью ориентируются там, где мало или и вовсе нет солнечного света.
Теперь, благодаря усилиям команды израильских инженеров из Тель-Авивского университета, работающей во главе с Итамаром Элиакимом (Itamar Eliakim), эхолокация помогает покорять неизведанные пространства и новому автономному роботу. За основу ими был взят принцип, который используют в навигации летучие мыши. Название устройство получило соответствующее - Robat.
Летучие мыши посылают ультразвуковой сигнал, неслышный для человеческого уха, и улавливают отражённое от препятствий эхо. При этом они всегда точно знают, где ветка, где насекомое, а где глухая стена. Предыдущие попытки использовать эхолокацию в робототехнике сводились к установке сонаров - технических устройств, которые помогают обнаруживать различные объекты под водой. Навигационное оборудование Robat отличается от прежних технологических решений и подражает биологическим особенностям именно рукокрылых.
Новый робот оснащён ультразвуковым динамиком, который издаёт сигналы в том же частотном диапазоне, что и летучие мыши (примерно от 20 до 120 кГц). Кроме того, устройство имеет два ультразвуковых микрофона, имитирующих уши животных. Робот перемещается по незнакомой ему среде, используя для этого только отражённый звуковой сигнал.
Он определяет границы объектов, которые встречаются на пути и классифицирует их с помощью . В итоге в "мозге" машины формируется подробная карта окружающей среды. Например, в ходе одного из тестов, робот успешно определял, была ли на его пути непроходимая стена или растение, через которое он мог пройти.
Подробное описание перспективного изобретения было опубликовано авторами в издании PLOS Computational Biology.
Кстати, Robat - это не первое устройство, вдохновлённое способностями летучих мышей. Ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.сайт) уже писали и о представленных другими командами и . Правда, эхолокацией эти устройства похвастаться не могли.
Недавно мы рассказывали о таком чуде техники как дрон приспособленный для очистки от наледи винтов ветряков, вырабатывающих электричество. Махина с 36 пропеллерами способная поднимать до 200 кг груза и выполнять сложную работу с легкостью акробата на большой высоте.
Вот как это происходит:
Но у этого летательного аппарата есть один серьезный изъян, отключи электричество, и он упадет камнем вниз. Что делать, для того, чтобы этого не происходило? На этот вопрос отвечают ученные, программисты и инженеры, соорудившие искусственный , в точности повторяющий очертания и моторику настоящей летучей мыши.
Кто как не природа знает, как лучше всего приспосабливаться к окружающей среде? Миллионы лет эволюции не прошли даром. Взять к примеру ту же летучую мышь. Это рукокрылое создание гораздо раньше компании Тесла стала использовать радары для определения препятствий, она великолепно видит в темноте, в сотни раз лучше, чем самые навороченные современные автомобили, это было доказано недавним трагическим случаем произошедшим с автомобилем Volvo оборудованным автопилотом от Uber. Машина сбила человека, а летучая мышь нет.
Эти интересные создания также могут летать в замкнутых пространствах, быстро маневрировать и спать вверх тормашками.
И почему бы людям не попробовать скопировать то, что уже было сделано природой? Все ведь уже готово.
С технической точки зрения для современной инженерии в производстве бионического летательного аппарата нет ничего особенно сложного. Официально названный робот «Bionic Flying Fox» был построен вокруг легко, практически невесомой рамы, рамки обтянуты уникальной мембраной для крыльев с 40 тыс. точек крепления, которые делают искусственную «кожу» легкой и одновременно прочной. В пластиковое тельце вставлены аккумуляторы, шестеренчатый привод и электронные «мозги», которое имеет аналог машинного обучения и способно отдавать команды для полета в полуавтономном режиме.
Маловероятно, что конкретно этот робот когда-либо увидит свет в плане коммерческого использования, но это на данный момент. С помощью всего лишь нескольких простых материалов можно построить сложный летательный аппарат, который успешно имитирует грациозные движения живого существа.
Разработкой биовдохновленных устройств (роботизированные муравьи, бабочки, птицы) сейчас занимаются несколько крупных компаний, в их число входит и немецкая фирма Festo, основная сфера деятельности которой – промышленная автоматизация.
Последним достижением немецких инженеров в этом направлении стал управляемый робот BionicFlyingFox. В отличие от других моделей, он повторяет строение тела лисицы-крылана – самого крупного подвида летучих мышей. По словам разработчиков, аппарат относится к разряду «сверхлегких летающих устройств с интеллектуальной кинематикой», что наделяет его ранее недостижимыми возможностями.
Какие характеристики имеет летающий робот?
Представители компании приоткрыли завесу тайны, опубликовав основные параметры новинки:
- размах крыльев – 228 см;
- длина – 87 см;
- вес – 580 грамм.
Чтобы летучая мышь получился настолько легким, мембрана крыла сделана из тонкой плетеной ткани, которая с обеих сторон покрыта двумя слоями воздухонепроницаемой пленки.
Особенности конструкции робота-летучей мыши
Помимо материала мембраны, стоит обратить внимание на само крыло: оно состоит из двух взаимосвязанных плоскостей. Каждая плоскость имеет собственные двигатели и контур управления. Движущей силой является главный электромотор постоянного тока. Обеспечение энергией главного мотора и вспомогательных двигателей реализовано при помощи встроенного источника питания, что наделяет агрегат полной автономностью.
Управление реализовано при помощи наземной управляющей станции, которая через встроенные камеры способна следить за действиями агрегата в воздухе. Для того чтобы упростить процесс эксплуатации, разработчики внедрили систему искусственного интеллекта и самообучения. Такая функция позволяет улучшать технику выполнения воздушных маневров. В перспективе эта техника будет доведена до совершенства, и роботизированные животные по своим возможностям уже ничем не будут уступать живым прототипам.
Группа робототехники и кибернетики из Политехнического университета Мадрида (Испания) представила новый микро-БПЛА. Дрон использует инновационную систему искусственных мышц, состоящих из материалов, способных сокращаться и сжиматься так, как это делают мышцы летучих мышей.
Пока искусственная мышка летает только по прямой, а колебания её крыльев не превышают 4 мм. (Здесь и ниже фото Политехнического университета в Мадриде.)
Речь идёт о беспилотнике BaTboT, «Летучем мышероботе». Сообщается, что миниатюрный аппарат, форма крыльев которого может быть изменена непосредственно в полёте, способен весьма эффективно маневрировать на небольших скоростях, что позволит ему летать в замкнутом пространстве или среди многочисленных препятствий.
Крылья летучих мышей (единственных млекопитающих, способных к полёту) состоят из более чем двух дюжин независимых сочленений и одной тонкой, гибкой мембраны, растянутой на костной системе крыла. Поразительная манёвренность животных - результат сочетания взмахов их крыльев и одновременных сокращений и растяжений этих же крыльев в полёте. Крыло со столь изменяемой геометрией доводилось до совершенства эволюцией в течение миллионов лет, и попытка воспроизвести его за короткое время стала настоящим вызовом для учёных. Они приняли его, и в результате получился BaTboT.
Размах крыльев этого микро-БПЛА составляет 50 см, что объясняется желанием «соответствовать природному прототипу». А прототипом стала летучая лисица (Pteropus poliocephalus), одна из самых крупных летучих мышей в мире. Вес микро-БПЛА минимизировался для достижения максимального времени полёта на встроенной литий-полимерной батарее.
Для воспроизведения работы мускульной системы животного исследователям пришлось обратиться к относительно сложной задаче - вместо обычных моторов нужно было сымитировать действие мышц живых существ. «Мышцы» BaTboT состоят из крошечных волокон, «сотканных» из сплавов с памятью формы; они работают по образцу бицепсов и трицепсов, сокращающих сочленения крыла летучей мыши. Весит каждый из «мускулов» BaTboT менее 1 г, а общая масса микро-БПЛА, которого разработчики предпочитают называть летающим роботом, составляет 125 г (включая аккумуляторы, бортовую электронику и движители). «Скелет» тянет на 34 г. Общая тяга крыла летуна - 12,2 г/см, время взмаха - 300 мс, колебание крыла при взмахе - примерно 4 мм. Ток, приводящий в движение «мышцы», имеет силу в 285 мА и напряжение в 3–5 В.
Каркас микро-БПЛА. На него натягивается силиконовая ткань обшивки толщиной в 0,1 мм.
Данные по биологическим деталям полёта летучих мышей были получены испанскими исследователями от коллег из Университета Брауна в Провиденсе (США). В ближайшем будущем в дополнение к простому полёту по прямой авторы намерены перейти к полётам с интенсивным маневрированием, что позволит доработать системы контроля, навигации и сенсоров. Целью такой модификации называется достижение способности к автономным действиям, в ходе которых микродрон сможет собирать информацию. В качестве возможных сфер применения учёные упоминают биологические исследования по изучению летучих мышей в их естественной среде обитания, а также контроль за вредителями.
Вряд ли стоит сомневаться, что способность к сбору информации и высокоманёвренному полёту в закрытых помещениях не заинтересует военных. Напомним, ещё во время Второй мировой ВВС США трудились над проектом бомбардировки японских городов летучими мышами, сбрасываемыми в самораспаковывающихся контейнерах, причём каждая мышь имела ранец с 17-граммовой зажигательной бомбой. Тестовые полёты были настолько успешными, что в результате едва не сгорела сама испытательная база…
Итоговая публикация по первой стадии проекта должна состояться в текущем году.