RoboBee — это крошечный робот , способный к частично необузданному полету , разработанный исследовательской группой робототехники Гарвардского университета . RoboBee, кульминация двенадцати лет исследований, решил две ключевые технические проблемы микроробототехники . Инженеры изобрели процесс, вдохновленный раскладными книгами , который позволил им строить в субмиллиметровом масштабе точно и эффективно. Чтобы достичь полета, они создали искусственные мышцы, способные бить крыльями 120 раз в секунду.
Цель проекта RoboBee — создать полностью автономный рой летающих роботов для таких задач, как поиск и спасение , наблюдение и искусственное опыление . [1] Чтобы сделать это осуществимым, исследователям необходимо выяснить, как обеспечить подачу питания и функции принятия решений, которые в настоящее время поставляются роботу через крошечный трос, интегрированный с основным корпусом.
Размах крыльев RoboBee составляет 3 сантиметра (1,2 дюйма), что делает его самым маленьким искусственным устройством, созданным по образцу насекомого и способным летать.
Более десяти лет исследователи Гарвардского университета работали над созданием крошечных летающих роботов. [2] Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США финансировало ранние исследования в надежде, что они приведут к решениям по скрытному наблюдению для поля боя и городских ситуаций. Вдохновленные биологией мухи , первые усилия были сосредоточены на том, чтобы заставить робота летать. Полет был достигнут в 2007 году, но движение вперед требовало руководства, поскольку было невозможно построить механизмы управления на борту. Исследователь робототехники Калифорнийского университета в Беркли Рон Фиринг назвал это достижение «крупным прорывом» для микроробототехники. [3]
Концепция микромасштабных летательных систем не была новой. « DelFly » (3,07 г) был способен к непривязанному самоуправляемому полету вперед, в то время как исследовательские устройства Micromechanical Flying Insect (0,1 кг) имели достаточную мощность для зависания, но не обладали способностью к самостоятельному полету. [4]
Основываясь на перспективах ранних экспериментов с роботизированными мушками, в 2009 году был запущен проект RoboBee с целью исследования того, что необходимо для «создания колонии роботизированных пчел». [5]
Достижение управляемого полета оказалось чрезвычайно сложным, требуя усилий разнообразной группы: экспертов по зрению, биологов, материаловедов, инженеров-электриков. [2] Летом 2012 года исследователи решили ключевые технические проблемы, позволив своему роботизированному творению, получившему прозвище RoboBee, совершить свой первый управляемый полет. Результаты их исследования были опубликованы в журнале Science в начале мая 2013 года. [6]
По словам исследователей RoboBee, предыдущие попытки миниатюризировать роботов не принесли им особой пользы, поскольку малый размер RoboBee изменяет природу действующих сил. [5] Инженерам пришлось придумать, как строить без роторных двигателей , шестеренок , гаек и болтов , которые нежизнеспособны в таком маленьком масштабе. [5] [7] В 2011 году они разработали технологию, при которой они вырезали конструкции из плоских листов, накладывали их слоями и складывали творение в форму. [2] Для скрепления сложенных частей использовался клей, аналогично оригами . [7] Эта технология заменила более ранние, которые были медленнее и менее точными и использовали менее прочные материалы. [2] Производственный процесс, вдохновленный книжками-раскладушками , позволяет быстро производить прототипы RoboBee. [8] [1]
В микромасштабе небольшая турбулентность может оказать драматическое влияние на полет. Чтобы преодолеть ее, исследователям пришлось заставить RoboBee реагировать очень быстро. [2] Для крыльев они построили « искусственные мышцы », используя пьезоэлектрический привод — тонкую керамическую полоску, которая сокращается, когда по ней проходит электрический ток . [7] Тонкие пластиковые шарниры служат в качестве сочленений, которые позволяют вращательным движениям в крыльях. [2] Конструкция позволяет роботам генерировать выходную мощность, сопоставимую с насекомым такого же размера. [5] Каждым крылом можно управлять отдельно в режиме реального времени. [2]
Конечной целью проекта является создание колоний полностью автономных и беспроводных RoboBees. [2] По состоянию на 2013 год остаются нерешенными две проблемы. Во-первых, робот слишком мал даже для самых маленьких инкапсулированных микрочипов , что означает, что у роботов нет возможности принимать решения. [7] В настоящее время RoboBee имеет встроенные датчики зрения , но данные требуют передачи в привязанную «мозговую подсистему» для интерпретации. Продолжается работа над специализированными аппаратными ускорителями с целью решения этой проблемы. [5]
Во-вторых, исследователи не придумали, как получить жизнеспособный источник питания на борту. [7] «Вопрос питания также оказывается чем-то вроде уловки-22 », — заметил Вуд. «Большой блок питания хранит больше энергии, но требует более крупной двигательной системы для обработки увеличенного веса, что, в свою очередь, требует еще большего источника питания». [5] Вместо этого роботы должны быть привязаны крошечными шнурами, которые подают питание и направление. [7] Недавний прогресс в управлении питанием на борту — это демонстрация обратимого, энергоэффективного размещения на свесах. Это позволяет прототипу оставаться на высокой точке обзора, сохраняя энергию. [9]
Если исследователи решат проблемы микрочипа и питания, считается, что группы RoboBees, использующие роевой интеллект, будут очень полезны в поисково-спасательных операциях и в качестве искусственных опылителей. Для достижения цели роевого интеллекта исследовательская группа разработала два абстрактных языка программирования — Karma, который использует блок-схемы , и OptRAD, который использует вероятностные алгоритмы. [5] Потенциальные приложения для отдельных или небольших групп RoboBees включают скрытое наблюдение и обнаружение вредных химикатов. [3]
Ранее такие организации, как Electronic Frontier Foundation, выражали обеспокоенность по поводу влияния на конфиденциальность гражданских лиц использования миниатюрных летающих роботов военными и правительством. [10] [11] В некоторых регионах, таких как штат Техас и город Шарлоттсвилль, Вирджиния , регулирующие органы ограничили их использование широкой публикой. [12] [13]
По словам исследователей проекта, процесс производства «раскладных» роботов позволит в будущем полностью автоматизировать массовое производство RoboBees. [8] Институт Висса при Гарварде находится в процессе коммерциализации технологий складывания и раскладывания, изобретенных для проекта. [2]
Размах крыльев RoboBee составляет 3 сантиметра (1,2 дюйма), что считается наименьшим размахом крыльев, созданных человеком, способным летать. Крылья могут хлопать 120 раз в секунду и управляться дистанционно в режиме реального времени. Каждый RoboBee весит 80 миллиграммов (0,0028 унции). [7]
Идея о том, что роботизированное опыление сельскохозяйственных культур может противостоять сокращению числа опылителей, в последнее время приобрела широкую популярность. [ когда? ] Исследователи в области опыления пчелами, здоровья пчел, сохранения пчел и агроэкологии утверждают, что RoboBee и другие искусственно созданные опылители в настоящее время являются технически и экономически неосуществимым решением и представляют существенные экологические и моральные риски: (1) несмотря на недавние достижения, роботизированное опыление далеко не способно заменить пчел для эффективного опыления сельскохозяйственных культур; (2) использование роботов вряд ли будет экономически выгодным; (3) возникнут неприемлемо высокие экологические издержки; (4) будут повреждены более обширные экосистемы; (5) это подорвет ценность биоразнообразия; и (6) опора на роботизированное опыление может фактически привести к серьезной нехватке продовольствия. [14]