Лаборатория Дрейпера — американская некоммерческая научно-исследовательская организация со штаб-квартирой в Кембридже, штат Массачусетс ; его официальное название — Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc (иногда сокращенно CSDL ). [6] Лаборатория специализируется на проектировании, разработке и внедрении передовых технологий для решения проблем национальной безопасности, освоения космоса, здравоохранения и энергетики.
Лаборатория была основана в 1932 году Чарльзом Старком Дрейпером в Массачусетском технологическом институте (MIT) для разработки авиационных приборов и стала называться Приборной лабораторией Массачусетского технологического института . В этот период лаборатория наиболее известна разработкой компьютера управления Apollo , первого компьютера на основе кремниевых интегральных схем . [7] Он был переименован в честь своего основателя в 1970 году и отделился от MIT в 1973 году, став независимой некоммерческой организацией. [1] [7] [8]
Квалификация сотрудников лаборатории включает области технологий и систем наведения, навигации и управления; отказоустойчивые вычисления; передовые алгоритмы и программные системы; моделирование и симуляция; микроэлектромеханические системы и технология многокристальных модулей. [9]
В 1932 году Чарльз Старк Дрейпер, профессор аэронавтики Массачусетского технологического института, основал учебную лабораторию для разработки приборов, необходимых для отслеживания, управления и навигации самолетов. Во время Второй мировой войны лаборатория Дрейпера была известна как Лаборатория разработки конфиденциальных приборов . Позже название было изменено на MIT Instrumentation Laboratory или I-Lab . По состоянию на 1970 год он располагался по адресу Осборн-стрит, 45 в Кембридже. [10]
Лаборатория была переименована в честь своего основателя в 1970 году и оставалась частью Массачусетского технологического института до 1973 года, когда она стала независимой некоммерческой корпорацией исследований и разработок. [1] [7] [11] Переход к независимой корпорации возник из-за давления с целью продажи лабораторий Массачусетского технологического института, проводивших военные исследования во время войны во Вьетнаме , несмотря на отсутствие роли лаборатории в этой войне. [12]
После отделения от Массачусетского технологического института лаборатория сначала была перенесена на Кембридж-Паркуэй, 75 и другие разрозненные здания рядом с Массачусетским технологическим институтом, пока не было построено централизованное новое здание площадью 450 000 квадратных футов (42 000 м 2 ) на 555 Technology Square . Комплекс, спроектированный Skidmore, Owings & Merrill (Чикаго), был открыт в 1976 году (позже в 1992 году переименован в «Здание Роберта А. Даффи»). [7]
В 1984 году недавно построенное здание Альберта Г. Хилла площадью 170 000 квадратных футов (16 000 м 2 ) было открыто на улице One Hampshire Street и соединено через дорогу с главным зданием через надежно огороженный пешеходный мост . [7] [13] Однако в 1989 году Draper Lab была вынуждена сократить свою рабочую силу, насчитывающую более 2000 человек, вдвое из-за сочетания досрочного выхода на пенсию, сокращения штата и вынужденных увольнений. [7] Такое резкое сокращение было вызвано сокращением финансирования обороны и изменениями в правилах государственных контрактов. [7] В ответ Дрейпер расширил свою работу, решая национальные задачи, не связанные с обороной, в таких областях, как исследование космоса, энергетические ресурсы, медицина, робототехника и искусственный интеллект, а также принял меры по расширению своей неправительственной работы, [7] в конечном итоге за десятилетие штат сотрудников вырастет до 1400. [14]
В 2017 году бывший внутренний двор между первоначальными зданиями под открытым небом был преобразован в закрытый многоэтажный атриум площадью 20 000 квадратных футов (1900 м 2 ) , в котором разместились камеры видеонаблюдения, стойка регистрации, полуобщественные зоны, временные выставочные помещения и столовые для сотрудников. [15] [14] Открытое, просторное внутреннее пространство, спроектированное бостонскими архитекторами Элкусом Манфреди , имеет зеленую стену и множество сидячих мест. [16] [17] [18]
Основным направлением программ лаборатории на протяжении всей ее истории была разработка и раннее применение передовых технологий наведения, навигации и управления (GN&C) для удовлетворения потребностей Министерства обороны США и НАСА . Достижения лаборатории включают проектирование и разработку точных и надежных систем наведения для баллистических ракет подводного базирования, а также компьютера управления «Аполлоном» , который безошибочно направлял астронавтов «Аполлона» на Луну и благополучно обратно на Землю. Проект Apollo возглавляла Маргарет Гамильтон и включал в себя работу таких программистов, как Дон Эйлс и Хэл Лэнинг .
Лаборатория внесла свой вклад в разработку инерциальных датчиков, программного обеспечения и других систем GN&C коммерческих и военных самолетов, подводных лодок, стратегических и тактических ракет, космических кораблей и беспилотных аппаратов. [19] Инерциальные системы GN&C играли центральную роль в навигации подводных лодок с баллистическими ракетами в течение длительных периодов времени под водой, чтобы избежать обнаружения, а также в наведении их баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок , к целям, начиная с ракетной программы UGM-27 Polaris .
У Draper есть офисы в нескольких городах США: [4]
Бывшие места включают Тампу, Флорида, в Университете Южной Флориды (Центр биоинженерии).
Согласно веб-сайту [4] , сотрудники лаборатории применяют свой опыт к автономным воздушным, наземным, морским и космическим системам; информационная интеграция; распределенные датчики и сети; высокоточные боеприпасы; биомедицинская инженерия; химическая/биологическая защита; и моделирование и управление энергетической системой. При необходимости Дрейпер работает с партнерами над переводом их технологий в коммерческое производство.
Лаборатория охватывает семь областей технической экспертизы:
Области проекта, которые появлялись в новостях, относились к основному опыту Лаборатории Дрейпера в области инерциальной навигации еще в 2003 году. Совсем недавно акцент сместился на исследования в области инновационных тем космической навигации, интеллектуальных систем, которые полагаются на датчики и компьютеры для принятия автономных решений. и наноразмерные медицинские устройства.
Сотрудники лаборатории изучили способы интеграции данных глобальной системы позиционирования (GPS) в навигацию на основе инерциальной навигационной системы , чтобы снизить затраты и повысить надежность. Военные инерциальные навигационные системы (ИНС) не могут полностью полагаться на наличие спутников GPS для корректировки курса (необходимость которой обусловлена постепенным ростом ошибок или «дрейфом») из-за угрозы вражеского блокирования или подавления сигнала. Менее точная инерциальная система обычно означает менее дорогостоящую систему, но требующую более частой повторной калибровки положения из другого источника, например GPS. Системы, которые интегрируют GPS с INS, классифицируются как «слабосвязанные» (до 1995 г.), «тесносвязанные» (1996–2002 гг.) или «глубоко интегрированные» (с 2002 г.), в зависимости от степени интеграции аппаратного обеспечения. [20] По состоянию на 2006 год [обновлять]предполагалось, что многие военные и гражданские применения будут интегрировать GPS с INS, включая возможность использования артиллерийских снарядов с глубоко интегрированной системой, способных выдерживать нагрузку 20 000 g при выстреле из пушки. [21]
В 2010 году лаборатория Дрейпера и Массачусетский технологический институт сотрудничали с двумя другими партнерами в рамках команды Next Giant Leap, чтобы выиграть грант на получение премии Google Lunar X Prize за отправку первого робота, финансируемого из частных источников, на Луну. Чтобы претендовать на приз, робот должен проехать 500 метров по лунной поверхности и передать видео, изображения и другие данные обратно на Землю. Команда разработала «Наземный искусственный симулятор лунной и пониженной гравитации» для моделирования операций в космической среде, используя алгоритм наведения, навигации и управления Лаборатории Дрейпера для пониженной гравитации. [22] [23]
В 2012 году инженеры лаборатории Дрейпера в Хьюстоне , штат Техас, разработали новый метод поворота Международной космической станции , названный «оптимальный маневр с топливом», который позволил добиться экономии на 94 процента по сравнению с предыдущей практикой. Алгоритм учитывает все, что влияет на движение станции, включая «положение ее двигателей, а также эффекты гравитации и гироскопического крутящего момента». [24]
По состоянию на 2013 год [обновлять]в личном масштабе Дрейпер разрабатывал одежду для использования на орбите, в которой используются гироскопы с контролируемым моментом (CMG), которые создают сопротивление движению конечностей космонавта, чтобы помочь уменьшить потерю костной массы и поддерживать мышечный тонус во время длительного космического полета. Это подразделение называется костюмом противодействия переменному вектору, или V2Suit, который также использует CMG для помощи в балансе и координации движений, создавая сопротивление движению и искусственное ощущение «вниз». Каждый модуль CMG имеет размер колоды карт. Концепция заключается в том, чтобы носить эту одежду «в преддверии возвращения на Землю или периодически в течение длительной миссии». [25]
В 2013 году команда Дрейпера/MIT/НАСА также разрабатывала скафандр, дополненный CMG, который расширит текущие возможности НАСА «Упрощенная помощь для спасения в открытом космосе» (SAFER) — скафандр, предназначенный для «движительного самоспасения» на случай, если космонавт случайно отвязывается от космического корабля. Костюм, дополненный CMG, обеспечит лучшее противодействие, чем сейчас доступно, когда астронавты используют инструменты в условиях низкой гравитации. Противосила доступна на Земле из гравитации. Без него приложенная сила привела бы к возникновению равной силы в противоположном направлении, либо по прямой линии, либо по вращению. В космосе это может привести к тому, что астронавт потеряет контроль. В настоящее время астронавты должны прикрепляться к обрабатываемой поверхности. CMG могли бы предложить альтернативу механическому соединению или силе гравитации. [26]
29 ноября 2018 года лаборатория Дрейпера была названа НАСА подрядчиком коммерческих услуг по обслуживанию лунной полезной нагрузки (CLPS) , что дает ей право участвовать в торгах на доставку научно-технического груза на Луну для НАСА. [27] Лаборатория Дрейпера официально предложила лунный посадочный модуль под названием «Артемида-7» . [28] [29] Компания пояснила, что цифра 7 обозначает седьмую миссию лунного корабля, в которой будет участвовать Лаборатория Дрейпера, после шести высадок Аполлона на Луну. [29] Концепция посадочного модуля основана на конструкции японской компании ispace , которая является членом команды Draper в этом проекте. [30] Субподрядчиками в этом предприятии являются General Atomics , которая изготовит посадочный модуль, и Spaceflight Industries , которая организует услуги по запуску посадочного модуля. [30] [31] По состоянию на сентябрь 2023 года Draper и ispace разрабатывают лунный посадочный модуль под названием APEX 1.0 для доставки полезной нагрузки CLPS на Луну в 2026 году. [32]
Исследователи Дрейпера разрабатывают системы искусственного интеллекта, позволяющие роботизированным устройствам учиться на своих ошибках. Эта работа проводится в поддержку финансируемой DARPA работы, касающейся армейской боевой системы будущего . Эта возможность позволит автономному автомобилю, находящемуся под обстрелом, узнать, что эта дорога опасна, и найти более безопасный маршрут или определить уровень топлива и статус повреждения. Сообщается, что с 2008 года [обновлять]Пол ДеБитетто возглавлял в этой лаборатории группу когнитивной робототехники. [33]
По состоянию на 2009 год Министерство внутренней безопасности[обновлять] США финансировало Лабораторию Дрейпера и других сотрудников для разработки технологии обнаружения потенциальных террористов с помощью камер и других датчиков, которые отслеживают поведение проверяемых людей. Проект называется «Технология скрининга атрибутов будущего» (FAST). Приложение будет предназначено для контрольно-пропускных пунктов для оценки кандидатов для последующей проверки. Демонстрируя технологию, руководитель проекта Роберт П. Бернс объяснил, что система предназначена для того, чтобы отличать злонамеренные намерения от доброкачественных проявлений беспокойства путем проведения обширных исследований психологии обмана. [34]
С 2010 года Нил Адамс, директор программ тактических систем Лаборатории Дрейпера, возглавлял системную интеграцию программы Nano Aerial Vehicle (NAV) Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) по миниатюризации летающих разведывательных платформ. Это влечет за собой управление транспортным средством, системы связи и наземного управления позволяют NAV функционировать автономно, неся полезную нагрузку датчиков для достижения намеченной миссии. NAVS должна работать в городских районах с небольшим количеством или отсутствием сигнала GPS, полагаясь на датчики и системы на основе машинного зрения. [35]
В 2009 году Дрейпер сотрудничал с Массачусетской офтальмологической больницей для разработки имплантируемого устройства для доставки лекарств, которое «объединяет аспекты микроэлектромеханических систем , или МЭМС, с микрофлюидикой, что позволяет точно контролировать жидкости в очень малых масштабах». Устройство представляет собой «гибкую, наполненную жидкостью машину», в которой используются трубки, которые расширяются и сжимаются, обеспечивая поток жидкости через каналы с определенным ритмом, приводимым в движение микронасосом, который адаптируется к воздействию окружающей среды. Система, финансируемая Национальными институтами здравоохранения , может лечить потерю слуха, доставляя «небольшое количество жидкого лекарства в очень деликатную область уха. Имплантат позволит сенсорным клеткам вырасти заново, в конечном итоге восстанавливая слух пациента». [36]
По состоянию на 2010 год [обновлять]Хизер Кларк из лаборатории Дрейпера разрабатывала метод измерения концентрации глюкозы в крови без прокалывания пальцев. В методе используется наносенсор, похожий на миниатюрную татуировку, всего несколько миллиметров в поперечнике, который пациенты наносят на кожу. Датчик использует ближний инфракрасный или видимый диапазон света для определения концентрации глюкозы. Обычно, чтобы регулировать уровень глюкозы в крови, диабетики должны измерять уровень глюкозы в крови несколько раз в день, беря каплю крови, полученную в результате укола, и помещая образец в аппарат, который может измерять уровень глюкозы. Наносенсорный подход вытеснит этот процесс. [37]
Сотрудники лаборатории работали в группах над созданием новых навигационных систем, основанных на инерциальном наведении и цифровых компьютерах для поддержки необходимых вычислений для определения пространственного позиционирования.
Лаборатория Дрейпера использует часть своих ресурсов для развития и признания технических талантов посредством образовательных программ и публичных выставок. Он также спонсирует премию Чарльза Старка Дрейпера , одну из трех так называемых «Нобелевских премий в области инженерии», присуждаемых Национальной инженерной академией США .
Время от времени в Лаборатории Дрейпера проводятся бесплатные выставки и мероприятия, открытые для публики, которые представлены в специальных полуобщественных помещениях перед центральным атриумом главного здания Даффи. Например, в 2019 году Дрейпер представил Hack the Moon — празднование 50-летия первой высадки Аполлона на Луну 20 июля 1969 года . На выставке были представлены такие артефакты, как компьютерное оборудование Apollo Guidance Computer, разработанное в Draper, и программное обеспечение миссии, разработанное сотрудниками Draper, включая Дона Эйлса , Маргарет Гамильтон и Хэла Лэнинга . Посетители могли попрактиковаться в посадке лунного модуля «Аполлон» на программном симуляторе, а затем попытаться приземлиться внутри полноразмерного симулятора движения, подобного тому, который астронавты использовали для отработки реальной миссии. Выступления сотрудников и пенсионеров Draper, а также бесплатные публичные концерты завершили торжество. В память об этом празднике был создан специальный сайт Hack the Moon . [46] [47] [48]
Другие выставки освещали различные аспекты исследовательских проектов, проводимых в Дрейпере, включая информацию о возможностях трудоустройства. Все посетители должны пройти через сканер безопасности, аналогичный тем, которые используются в аэропортах, но для доступа в полуобщественные зоны специальные разрешения не требуются. [49]
Основанная на исследованиях программа Draper Fellow Program ежегодно спонсирует около 50 аспирантов. [50] Студентов обучают занимать руководящие должности в правительстве, армии, промышленности и образовании. Лаборатория также поддерживает исследования, финансируемые на территории кампуса, совместно с преподавателями и главными исследователями в рамках университетской программы исследований и разработок. Он предлагает студентам бакалавриата возможности трудоустройства и стажировок.
Лаборатория Дрейпера проводит программу STEM (наука, технология, инженерия и математика) K-12 и программу работы с населением, которую она учредила в 1984 году. [51] Ежегодно лаборатория распределяет более 175 000 долларов США через свои программы по связям с общественностью. [52] Эти средства включают поддержку стажировок, кооперативов, участие в научных фестивалях, а также предоставление туров и выступлений - это продолжение этой миссии. [53]
С 2021 года [обновлять]лаборатория Draper также спонсирует Draper Spark!Lab в Национальном музее американской истории на Национальной аллее в Вашингтоне, округ Колумбия. Рабочее пространство для практических изобретений, управляемое Смитсоновским институтом , бесплатно для всех посетителей и ориентировано на образовательную деятельность для детей в возрасте от 6 до 12 лет. [54]
Компания вручает премию Чарльза Старка Дрейпера , которой управляет Национальная инженерная академия . Она присуждается «в знак признания инновационных инженерных достижений и их применения на практике способами, которые привели к важным преимуществам и значительному улучшению благосостояния и свободы человечества». Достижения в любой инженерной дисциплине имеют право на премию в размере 500 000 долларов США. [55]