Оснащенные крошечными лазерами для глаз, рои миниатюрных дронов-роботов могут скоро быть в состоянии опылять поля сельскохозяйственных культур, искать оставшиеся в живых здания или проводить измерения качества воздуха на больших площадях.
В 2012 году исследователи из Гарвардского университета попали в заголовки газет, когда запустили роботизированное насекомое весом всего в миллиграммы и наблюдали, как оно успешно летало и приземлялось; год спустя она смогла пойти по заранее запрограммированному пути. С тех пор RoboBee научился плавать, но его способности все еще велики: он не может эффективно видеть.
Исследователи из Университета Буффало и Университета Флориды работают над тем, чтобы изменить это. В течение следующих трех лет с помощью гранта в размере 1, 1 млн. Долл. США от Национального научного фонда Картик Данту из Буффало и Санджив Коппал из Флориды тестируют способы сокращения технологий, используемых в лидарах, или для обнаружения и определения дальности света, чтобы дать мало Дроны способны ориентироваться на цель, не будучи управляемым человеком-оператором. Они будут похожи на самоходную машину Google, только в тысячи раз меньше.
«Нам нужен датчик глубины для интеллектуального поведения», говорит Коппал. «Когда мы думали о том, какие методы мы могли бы использовать, лидар был на вершине списка».
Разработанный в 1960-х годах после изобретения лазера, лидар работает так же, как радар или сонар, но со светом. Посылая серию невидимых лучей света в окружающую область, лидар создает детальную картину окружающей среды на основе света, отраженного от его датчиков. Лидар может использовать свет в видимом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах для визуализации, а более короткие длины волн позволяют измерять частицы, такие крошечные, как аэрозоли в воздухе.
Но самая маленькая коммерческая лидарная система весит 830 грамм, или почти два фунта, в то время как пчела-робот всего на 80 миллиграммов - легче, чем маленькая скрепка для бумаг. Другими словами, создание микролидарной способности требует усадки уровня Ant-Man.
Данту объясняет, что обычные камеры не могут быть использованы, потому что роботы слишком малы - восприятие глубины с помощью камер требует, чтобы они находились на минимальном расстоянии друг от друга, как глаза, и на дроне просто нет такой комнаты. Захват и анализ световых лучей для определения расстояния и глубины был логичным путем, поскольку он основан на сборе света с любого направления. Кроме того, камеры и обработка изображений потребляют много энергии, что также значительно выше, чем у RoboBees. Около 97 процентов от общего энергопотребления на борту пчелы-робота потребляется во время полета; вычислительные и сенсорные системы вступают в борьбу с другими системами за остатки.
Получив грант, Koppal разрабатывает новые легкие датчики, а Dantu работает над математическими алгоритмами, чтобы помочь этим датчикам наилучшим образом использовать данные, которые они собирают. Коллега Коппала во Флориде Хуикай Се работает над созданием необходимых лазерных излучателей.
Во-первых, исследователи будут использовать зеркало с широкоугольной оптикой на дроне, чтобы собирать лазерные импульсы с удаленной лидарной базовой станции, и точно настраивать алгоритм для датчиков с этими данными. Вторым шагом является установка лазерного диода на самом дроне, питаемом через трос к базовой станции или батарее. Оттуда, конечная цель состоит в том, чтобы получить все внутреннее питание.
(Лаборатория микробиотики, Гарвардская школа инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона и Институт биологической инженерии Висса) Микролидар может быть использован в эндоскопических зондах, палочкообразных инструментах, используемых во время операции, которые в настоящее время используют ультразвук для визуализации внутренних органов и структур тела. Целый рой роботизированных пчел может следить за загрязнением воздуха, погодой или транспортными потоками на большой территории. Любая дисциплина, в которой в настоящее время используется лидар, может принести пользу, включая топографическое картографирование, обнаружение сейсмических нарушений, выявление необнаруженных месторождений полезных ископаемых, архитектурное планирование и техническое обслуживание канализации.
Хотя Данту и Коппал сосредоточены на создании жизнеспособной лидарной системы, созданной для беспилотника, только то, как данные будут собираться и обрабатываться, является препятствием, которое они часто обсуждают. Пчела или рой пчел могут самостоятельно выполнять некоторую часть обработки данных, а также коллективно передавать данные посредством кодированных световых импульсов на базовую станцию для углубленных вычислений.
Майкл Олсен, адъюнкт-профессор геоматики в Университете штата Орегон, работает с лидаром для изучения топографии и картографирования местности, используя в основном наземные сканеры для изучения береговой эрозии, безопасности мостов и техники землетрясений. Он говорит, что отсутствие возможности собирать полный набор данных является одним большим препятствием для традиционных лидарных систем.
«У нас неизбежно возникают пробелы в наших данных из-за ограничений прямой видимости», - говорит Олсен. «Эти RoboBees могли бы быть очень полезными для того, чтобы помочь заполнить некоторые из этих пробелов для создания более полной модели. Сокращение активной лазерной системы, такой как лидар, является довольно сложной задачей, и то, что исследователи решают здесь, - это совершенно новый масштаб. Похоже, они придумали очень интересные решения для ограничения мощности, веса и размера ».
Полностью осознав, что рой пчелиных беспилотников, оснащенных микролидаром, может летать вокруг деревьев в густом лесу, чтобы лучше уловить структуру каждого дерева или под мостиками моста, сканы, которые трудно сделать обычными методами.
В то время как лидар в настоящее время используется для исследовательских и промышленных применений, микролидар может использоваться во многих домашних или медицинских целях. Охотники за домом могут иметь доступ к полному 3D представлению дома для продажи и знать точные размеры комнат, чтобы планировать, как мебель может соответствовать. Поисково-спасательные миссии могут проходить через небольшие пространства в разрушенных структурах. Домашние системы могут определять, находится ли что-то не на своем месте или отсутствует, или степень, в которой земля сместилась после оползня или землетрясения. И бодибилдеры, и те, кто ищет потерю веса, могут регулярно и детально сканировать свои тела, чтобы узнать степень своего прогресса.
Данту и Коппал признают, что такого рода приложениям еще много лет, но практическая природа технологии является многообещающей.
«Если вы можете сделать что-то на RoboBee, вы можете сделать это где угодно», - говорит Коппал. «Микролидар может работать везде, где используется обычный лидар. В сельском хозяйстве и промышленности есть все виды применений, где люди уже используют лидар для нанесения на карту завода или фермы. Во многих случаях меньше и дешевле, тем лучше ».
И помните, эти лазеры не мощные zappers. RoboBees не будет использовать их для разделения и завоевания, а только для того, чтобы получить более точное представление об окружающем мире.
