Draper Laboratory — американская некоммерческая научно-исследовательская организация со штаб-квартирой в Кембридже, штат Массачусетс ; официальное название — The Charles Stark Draper Laboratory, Inc (иногда сокращенно CSDL ). [6] Лаборатория специализируется на проектировании, разработке и внедрении передовых технологических решений 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 авиационного оборудования и стала называться Лабораторией приборостроения MIT . В этот период лаборатория наиболее известна разработкой Apollo Guidance Computer , первого компьютера на основе кремниевой интегральной схемы . [7] Она была переименована в честь своего основателя в 1970 году и отделилась от MIT в 1973 году, став независимой некоммерческой организацией. [1] [7] [8]
Опыт сотрудников лаборатории охватывает области технологий и систем наведения, навигации и управления; отказоустойчивых вычислений; передовых алгоритмов и программных систем; моделирования и имитации; а также микроэлектромеханических систем и многокристальной модульной технологии. [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 Конфиденциальная лаборатория разработки приборов . Позже название было изменено на Лабораторию приборов Массачусетского технологического института или I-Lab . С 1970 года она располагалась по адресу 45 Osborn Street в Кембридже. [10]
Лаборатория была переименована в честь своего основателя в 1970 году и оставалась частью MIT до 1973 года, когда она стала независимой некоммерческой корпорацией по исследованиям и разработкам. [1] [7] [11] Переход к независимой корпорации возник из-за давления, направленного на продажу лабораторий MIT, проводивших военные исследования во время войны во Вьетнаме , несмотря на отсутствие роли лаборатории в этой войне. [12]
После отделения от MIT лаборатория была первоначально перемещена в 75 Cambridge Parkway и другие разбросанные здания около MIT, пока не было возведено новое централизованное 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 переименованный в «Здание Роберта А. Даффи» в 1992 году). [7]
В 1984 году было открыто новое здание Albert G. Hill Building площадью 170 000 квадратных футов (16 000 м 2 ) на улице One Hampshire Street, соединенное с главным зданием через улицу с помощью надежно закрытого пешеходного перехода . [7] [13] Однако в 1989 году Draper Lab была вынуждена сократить свой штат сотрудников, насчитывавший более 2000 человек, наполовину из-за сочетания раннего выхода на пенсию, текучести кадров и вынужденных увольнений. [7] Это резкое сокращение было вызвано сокращением финансирования обороны и изменениями в правилах государственных контрактов. [7] В ответ на это Draper расширила свою работу, направленную на решение не связанных с обороной национальных задач в таких областях, как исследование космоса, энергетические ресурсы, медицина, робототехника и искусственный интеллект, а также приняла меры по увеличению своей неправительственной работы, [7] в конечном итоге увеличив штат до 1400 сотрудников в течение десятилетия. [14]
В 2017 году бывший открытый двор между первоначальными зданиями был преобразован в закрытый многоэтажный атриум площадью 20 000 квадратных футов (1900 м2 ) для размещения сканирования безопасности, ресепшена, полупубличных зон, временного выставочного пространства и столовых для сотрудников. [15] [14] Открытое, воздушное внутреннее пространство, спроектированное бостонскими архитекторами Элкусом Манфреди , отличается зелеными насаждениями и множеством мест для сидения. [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 NASA . Достижения лаборатории включают проектирование и разработку точных и надежных систем наведения для баллистических ракет подводного запуска, а также для компьютера наведения Apollo , который безошибочно направлял астронавтов Apollo на Луну и обратно на Землю.
Лаборатория внесла вклад в разработку инерциальных датчиков, программного обеспечения и других систем для наведения и управления коммерческих и военных самолетов, подводных лодок, стратегических и тактических ракет, космических кораблей и беспилотных транспортных средств. [19] Инерциальные системы наведения и управления были центральными для навигации подводных лодок с баллистическими ракетами в течение длительных периодов времени под водой, чтобы избежать обнаружения, и для наведения их баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок , на цели, начиная с программы ракет UGM-27 Polaris .
Команду разработчиков программного обеспечения Apollo возглавляла Маргарет Гамильтон (которая написала код для предоставления визуальных подсказок при правильной работе приоритетов), а в ее состав входили такие программисты, как Хэл Лэнинг , Дик Баттин и Дон Эйлс .
У Draper есть филиалы в нескольких городах США: [4]
Ранее он располагался в Тампе, штат Флорида , в Университете Южной Флориды (Биоинженерный центр).
Согласно информации на сайте [4] , сотрудники лаборатории применяют свои знания в области автономных воздушных, наземных, морских и космических систем; информационной интеграции; распределенных датчиков и сетей; высокоточного оружия; биомедицинской инженерии; химической/биологической защиты; и моделирования и управления энергетическими системами. При необходимости Draper работает с партнерами для перевода их технологий в коммерческое производство.
Лаборатория охватывает семь областей технической экспертизы:
Области проектов, которые всплывали в новостях, относились к основной специализации лаборатории Дрейпера в области инерциальной навигации еще в 2003 году. В последнее время акцент сместился на исследования в области инновационных тем космической навигации, интеллектуальных систем, которые полагаются на датчики и компьютеры для принятия автономных решений, а также на медицинские устройства наномасштаба.
Сотрудники лаборатории изучили способы интеграции входных данных от Глобальной системы позиционирования (GPS) в навигацию на основе инерциальной навигационной системы с целью снижения затрат и повышения надежности. Военные инерциальные навигационные системы (ИНС) не могут полностью полагаться на доступность спутников GPS для коррекции курса (что необходимо из-за постепенного роста ошибок или «дрейфа») из-за угрозы враждебной блокировки или глушения сигнала. Менее точная инерциальная система обычно означает менее дорогостоящую систему, но требующую более частой повторной калибровки положения из другого источника, такого как GPS. Системы, которые интегрируют GPS с ИНС, классифицируются как «слабосвязанные» (до 1995 г.), «тесносвязанные» (1996–2002 гг.) или «глубоко интегрированные» (с 2002 г.) в зависимости от степени интеграции оборудования. [20] По состоянию на 2006 год [обновлять]предполагалось, что многие военные и гражданские приложения будут интегрировать GPS с INS, включая возможность артиллерийских снарядов с глубоко интегрированной системой, способной выдерживать 20 000 g при выстреле из пушки. [21]
В 2010 году Draper Laboratory и MIT объединились с двумя другими партнерами в рамках команды Next Giant Leap, чтобы выиграть грант на достижение Google Lunar X Prize, отправив первого финансируемого из частных источников робота на Луну. Чтобы претендовать на приз, робот должен проехать 500 метров по поверхности Луны и передать видео, изображения и другие данные обратно на Землю. Команда разработала «Terrestrial Artificial Lunar and Reduced Gravity Simulator» для имитации операций в космической среде, используя алгоритм наведения, навигации и управления Draper Laboratory для пониженной гравитации. [22] [23]
В 2012 году инженеры лаборатории Дрейпера в Хьюстоне , штат Техас, разработали новый метод поворота Международной космической станции , названный «оптимальным маневром топлива», который позволил сэкономить 94 процента по сравнению с предыдущей практикой. Алгоритм учитывает все, что влияет на движение станции, включая «положение ее двигателей и эффекты гравитации и гироскопического крутящего момента». [24]
По состоянию на 2013 год [обновлять], в личном масштабе, Дрейпер разрабатывал одежду для использования на орбите, которая использует гироскопы с контролируемым моментом (CMG), которые создают сопротивление движению конечностей астронавта, чтобы помочь смягчить потерю костной массы и поддерживать мышечный тонус во время длительного космического полета. Устройство называется костюмом Variable Vector Countermeasure, или V2Suit, который также использует CMG для помощи в равновесии и координации движений, создавая сопротивление движению и искусственное чувство «внизу». Каждый модуль CMG имеет размер колоды карт. Концепция заключается в том, что одежду следует носить «в преддверии посадки на Землю или периодически в течение длительной миссии». [25]
В 2013 году команда Draper/MIT/NASA также разрабатывала скафандр с CMG-расширением, который расширил бы текущие возможности «Упрощенной помощи для спасения при выходе в открытый космос» (SAFER) NASA — скафандра, разработанного для «самоспасения с помощью двигателя», когда астронавт случайно отвязывается от космического корабля. Костюм с CMG-расширением обеспечит лучшую силу противодействия, чем та, которая доступна сейчас, когда астронавты используют инструменты в условиях низкой гравитации. Сила противодействия доступна на Земле от гравитации. Без нее приложенная сила привела бы к равной силе в противоположном направлении, либо по прямой, либо по вращению. В космосе это могло бы вывести астронавта из-под контроля. В настоящее время астронавты должны прикрепляться к поверхности, на которой работают. CMG-расширения предложат альтернативу механическому соединению или гравитационной силе. [26]
29 ноября 2018 года лаборатория Draper была названа NASA подрядчиком по коммерческим лунным грузоперевозкам (CLPS) , что дает ей право участвовать в торгах на доставку научно-технических грузов на Луну для NASA. [27] Лаборатория Draper официально предложила лунный посадочный модуль под названием Artemis-7 . [28] [29] Компания объяснила, что число 7 обозначает седьмую миссию лунного посадочного модуля, в которой будет участвовать лаборатория Draper, после шести высадок на Луну по программе Apollo. [29] Концепция посадочного модуля основана на проекте японской компании ispace , которая является членом команды Draper в этом предприятии. [30] Субподрядчиками в этом предприятии являются General Atomics , которая будет производить посадочный модуль, и Spaceflight Industries , которая будет организовывать услуги по запуску посадочного модуля. [30] [31] По состоянию на сентябрь 2023 года компании Draper и ispace разрабатывают лунный модуль под названием APEX 1.0 для доставки полезных грузов CLPS на Луну в 2026 году. [32]
Исследователи Draper разрабатывают системы искусственного интеллекта, позволяющие роботизированным устройствам учиться на своих ошибках. Эта работа проводится в поддержку финансируемой DARPA работы, относящейся к армейской будущей боевой системе . Эта возможность позволит автономному устройству под огнем узнать, что дорога опасна, и найти более безопасный маршрут или распознать уровень топлива и состояние повреждений. По [обновлять]сообщениям, в 2008 году Пол ДеБитето возглавлял группу когнитивной робототехники в лаборатории в этой работе. [33]
С 2009 года Министерство внутренней безопасности[обновлять] США финансировало Draper Laboratory и других соавторов для разработки технологии обнаружения потенциальных террористов с помощью камер и других датчиков, которые отслеживают поведение людей, проходящих проверку. Проект называется Future Attribute Screening Technology (FAST). Приложение будет использоваться для контрольно-пропускных пунктов безопасности для оценки кандидатов на последующую проверку. Демонстрируя технологию, руководитель проекта Роберт П. Бернс объяснил, что система разработана для различения злонамеренных намерений и безобидных выражений дистресса путем использования существенного исследования тела в области психологии обмана. [34]
С 2010 года Нил Адамс, директор программ тактических систем в Draper Laboratory, руководил системной интеграцией программы Nano Aerial Vehicle (NAV) Агентства перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA) по миниатюризации летающих разведывательных платформ. Это подразумевает управление транспортным средством, связью и наземными системами управления, позволяющими NAV функционировать автономно, чтобы нести сенсорную нагрузку для достижения намеченной миссии. NAVS должны работать в городских районах с небольшим или отсутствующим сигналом GPS, полагаясь на датчики и системы на основе зрения. [35]
В 2009 году Дрейпер сотрудничал с Massachusetts Eye and Ear Infirmary для разработки имплантируемого устройства для доставки лекарств, которое «объединяет аспекты микроэлектромеханических систем , или MEMS, с микрофлюидикой, что позволяет точно контролировать жидкости в очень малых масштабах». Устройство представляет собой «гибкую, заполненную жидкостью машину», которая использует трубки, которые расширяются и сжимаются, чтобы способствовать потоку жидкости по каналам с определенным ритмом, приводимым в действие микронасосом, который адаптируется к воздействию окружающей среды. Система, финансируемая Национальными институтами здравоохранения , может лечить потерю слуха, доставляя «крошечные количества жидкого препарата в очень чувствительную область уха, имплант позволит сенсорным клеткам вырасти заново, в конечном итоге восстанавливая слух пациента». [36]
В 2010 году [обновлять]Хизер Кларк из Draper Laboratory разрабатывала метод измерения концентрации глюкозы в крови без прокалывания пальца. Метод использует нанодатчик, похожий на миниатюрную татуировку, всего несколько миллиметров в поперечнике, которую пациенты наносят на кожу. Датчик использует ближний инфракрасный или видимый диапазоны света для определения концентрации глюкозы. Обычно для регулирования уровня глюкозы в крови диабетики должны измерять уровень глюкозы в крови несколько раз в день, беря каплю крови, полученную путем укола булавкой, и вставляя образец в машину, которая может измерять уровень глюкозы. Подход с использованием нанодатчика вытеснит этот процесс. [37]
Сотрудники лаборатории работали в группах над созданием новых навигационных систем, основанных на инерциальном наведении и цифровых компьютерах для поддержки необходимых расчетов для определения пространственного позиционирования.
Лаборатория Дрейпера использует часть своих ресурсов для развития и признания технических талантов через образовательные программы и публичные выставки. Она также спонсирует премию Чарльза Старка Дрейпера , одну из трех так называемых «Нобелевских премий по инженерии», вручаемых Национальной инженерной академией США .
Время от времени лаборатория Дрейпера проводит бесплатные выставки и мероприятия, открытые для публики, которые представлены в специальных полупубличных пространствах в передней части центрального атриума в главном здании Даффи. Например, в 2019 году Дрейпер представил Hack the Moon , празднование 50-й годовщины первой высадки Аполлона на Луну 20 июля 1969 года . На выставке были представлены артефакты, такие как аппаратное обеспечение компьютера управления Аполлоном , разработанное в Дрейпере, и программное обеспечение миссии, разработанное сотрудниками Дрейпера, включая Дона Эйлза , Маргарет Гамильтон и Хэла Лэнинга . Посетители могли попрактиковаться в посадке лунного модуля Аполлона на программном симуляторе, а затем попытаться приземлиться, находясь внутри полноразмерного симулятора движения, подобного тому, который использовали астронавты для отработки реальной миссии. Выступления сотрудников Дрейпера и пенсионеров, а также бесплатные публичные концерты завершили празднества. Был создан специальный веб-сайт Hack the Moon, чтобы увековечить память о праздновании. [46] [47] [48]
Другие выставки освещали различные аспекты исследовательских проектов, проводимых в Draper, включая информацию о возможностях трудоустройства. Все посетители должны пройти через сканер безопасности, аналогичный тем, что используются в аэропортах, но для доступа в полупубличные зоны не требуется специальных разрешений безопасности . [49]
Программа стипендий Draper Fellow, основанная на исследованиях, ежегодно спонсирует около 50 аспирантов. [50] Студенты проходят подготовку для занятия руководящих должностей в правительстве, армии, промышленности и образовании. Лаборатория также поддерживает финансируемые на территории кампуса исследования с участием преподавателей и главных исследователей через университетскую программу НИОКР. Она предлагает студентам бакалавриата возможности трудоустройства и стажировки.
Лаборатория Дрейпера проводит программу STEM (наука, технология, инженерия и математика) для учащихся школ K–12 и образовательную программу для сообщества, которую она основала 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, участия в научных фестивалях и предоставление туров и спикеров — это расширение этой миссии. [53]
С 2021 года [обновлять]Draper Laboratory также спонсирует Draper Spark!Lab в Национальном музее американской истории на Национальной аллее в Вашингтоне, округ Колумбия. Практическое рабочее пространство для изобретений, управляемое Смитсоновским институтом , бесплатно для всех посетителей и фокусируется на образовательных мероприятиях для детей в возрасте от 6 до 12 лет. [54]
Компания учреждает премию имени Чарльза Старка Дрейпера , которая администрируется Национальной инженерной академией . Она присуждается «в знак признания инновационных инженерных достижений и их внедрения в практику способами, которые привели к важным преимуществам и значительному улучшению благосостояния и свободы человечества». Достижения в любой инженерной дисциплине могут претендовать на премию в размере 500 000 долларов США. [55]