Ответ на вопрос
RoboBee
RoboBee — миниатюрный робот, способный частично автономно летать, разработанный исследовательской командой по робототехнике в Гарвардском университете. Эта разработка стала итогом двенадцатилетних исследований и решает две основные технические задачи микро-робототехники. Инженеры изобрели производственный процесс, вдохновлённый книгой-раскладушкой, что позволило создавать конструкции на субмиллиметровом уровне с высокой точностью и эффективностью. Для обеспечения полёта были созданы искусственные мышцы, способные взмахивать крыльями 120 раз в секунду.
Цель проекта RoboBee — создание полностью автономного ройного роя летающих роботов для задач, таких как поисково-спасательные работы, наблюдение и искусственное опыление[1]. Для реализации этого учёные должны решить вопросы автономного энергоснабжения и принятия решений, которые пока реализованы через тончайший провод, интегрированный в основной корпус.
Размах крыльев RoboBee составляет 3 см, что делает его самым маленьким искусственным устройством, моделирующим насекомое, способным к полёту.
История
Более десяти лет исследователи из Гарвардского университета работали над созданием миниатюрных летающих роботов[2]. Ранние исследования финансировались DARPA с целью создания скрытных средств наблюдения для военных и городских задач. Вдохновлённые биологией мухи, первые попытки были сосредоточены на поднятии робота в воздух. Полёта удалось добиться в 2007 году, однако для движения вперёд требовался внешний проводник, так как установить механизмы управления на борту было невозможно. Исследователь робототехники Рон Фиринг из Калифорнийского университета в Беркли назвал это достижение «существенным прорывом» для микро-робототехники[3].
Концепция микро-систем для полёта не была новой. Аппарат DelFly (3,07 г) мог автономно летать вперёд, а разработки Micromechanical Flying Insect (0,1 кг) были способны зависать — но не обеспечивали устойчивого полёта[4].
Вдохновлённая успехами ранних экспериментов с «робо-мухой», команда в 2009 году запустила проект RoboBee для изучения возможностей создания «роботизированной пчелиной колонии»[5].
Достижение управляемого полёта оказалось исключительно сложной задачей, потребовавшей усилий специалистов в области компьютерного зрения, биологии, материаловедения и электротехники[2]. Летом 2012 года инженеры решили ключевые задачи, позволив RoboBee совершить первый управляемый полёт. Результаты были опубликованы в журнале Science в мае 2013 года[6].
Технологические вызовы
По мнению исследователей RoboBee, предыдущие попытки миниатюризации роботов мало чем могли помочь, поскольку малый размер RoboBee существенно меняет действующие силы[5]. Инженерам пришлось разрабатывать технологии без применения ротационных двигателей, шестерёнок, гаек и болтов, которые на таком масштабе не реализуемы[5].[7] В 2011 году была создана технология, при которой элементы вырезаются из плоских листов, затем послойно собираются и складываются в объёмную конструкцию[2]. Для фиксации использовался клей, аналогично приёмам оригами[7]. Этот способ заменил прежние, более медленные и менее точные, с использованием менее прочных материалов[2] Процесс, навеянный книгами-раскладушками, позволяет быстро изготавливать прототипы RoboBee[8].
На микроуровне даже небольшая турбулентность сильно сказывается на полёте, поэтому робот должен реагировать молниеносно[2] Для привода крыльев были созданы искусственные мышцы — пьезоэлектрический актуатор: тонкая керамическая полоска, сокращающаяся при подаче электричества.
В качестве шарниров выступают тонкие пластиковые петли[2].
Такой дизайн позволяет вырабатывать мощность, сопоставимую с насекомыми аналогичного размера.[5] Каждое крыло управляется отдельно в реальном времени.[2]
Конечная цель проекта — создать колонии полностью автономных беспроводных RoboBee.[2] По состоянию на 2013 год две проблемы оставались нерешёнными. Во-первых, корпус слишком мал для интеграции даже миниатюрных чипов, что исключает onboard-обработку данных.[7] У RoboBee есть бортовые визуальные сенсоры, однако для интерпретации данных требуется передача на «мозг» вне устройства. Ведётся работа над специализированными ускорителями для решения этой задачи.[5]
Вторая нерешённая проблема — автономное питание.
«Вопрос энергии — это своего рода порочный круг: большой источник энергии прибавляет вес, что требует более мощной силовой установки, а та — ещё большего запаса энергии», — отмечал Роберт Вуд.[5] Поэтому пока роботы работают на тонких проводах, передающих питание и команды[7].
Некоторым прогрессом в автономии стало появление эффективного «парения» на нависающих поверхностях с помощью обратимого электростатического прилипания: робот может экономить энергию, оставаясь на возвышении[9].
Возможности применения
Если удастся решить вопросы микроэлектроники и питания, предполагается, что рои RoboBee с роевым интеллектом будут востребованы для поисково-спасательных работ и как искусственные опылители. Для реализации коллективного поведения команда разработала два абстрактных языка программирования: Karma — использующий блок-схемы, и OptRAD — построенный на вероятностных алгоритмах[5].
Возможные применения отдельных экземпляров или небольших групп RoboBee включают скрытое наблюдение и детекцию опасных химикатов.
Ранее такие организации, как Electronic Frontier Foundation, выражали обеспокоенность по поводу возможных нарушений гражданской приватности при военном и государственном использовании миниатюрных летающих роботов[10].
В некоторых регионах (например, в штате Техас и городе Шарлотсвилл (Виргиния)) использование подобных устройств для граждан было ограничено регуляторами[11].
По словам участников проекта, технология «pop-up»-производства позволит в будущем полностью автоматизировать массовый выпуск RoboBee[8].
Институт Висса Гарварда ведёт коммерциализацию методов складывания и pop-up для воплощения в производстве.
Технические характеристики
Размах крыльев RoboBee составляет 3 см, что считается наименьшим из всех известных искусственных аппаратов с возможностью полёта. Крылья способны взмахивать 120 раз в секунду и управляются дистанционно в реальном времени. Вес одного RoboBee — около 80 мг.[7]
Вопросы искусственного опыления и устойчивого развития
Мнение о том, что роботизированное опыление сельхозкультуры способно компенсировать снижение числа настоящих опылителей, получило широкую популярность. Исследователи в области опыления, здоровья и охраны пчёл, а также агроэкология подчёркивают, что RoboBee и другие материально-инженерные искусственные опылители пока являются технически и экономически нерелевантным решением и несут ряд существенных экологических и этических рисков: (1) несмотря на последние достижения, робот-опыление далеко не может заменить настоящих пчёл по эффективности; (2) маловероятна экономическая целесообразность массового внедрения; (3) экологические издержки оказались бы чрезмерно высоки; (4) возникнет дополнительный ущерб экосистемам; (5) исчезнет ценность биологического разнообразия; (6) ставка на робототизированное опыление может привести к серьёзным продовольственным рискам.[12]
Примечания
Литература
- Ma, Kevin Y.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Wood, Robert J. (май 2013). “Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot”. Science [англ.]. 340 (6132): 603—607. Bibcode:2013Sci...340..603M. DOI:10.1126/science.1231806. PMID 23641114. S2CID 21912409. Проверьте дату в
|date=(справка на английском) - Graule, Moritz A.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Jafferis, Noah T.; Ma, Kevin Y.; Spenko, Matthew; Kornbluh, Roy; Wood, Robert J. (май 2016). “Perching and takeoff of a robotic insect on overhangs using switchable electrostatic adhesion”. Science [англ.]. 352 (6288): 978—982. Bibcode:2016Sci...352..978G. DOI:10.1126/science.aaf1092. PMID 27199427. Проверьте дату в
|date=(справка на английском) - Wood, Robert; Nagpal, Radhika; Wei, Gu-Yeon (11 марта 2013). “Flight of the robobees”. Scientific American [англ.]. 308 (3): 60—65. Bibcode:2013SciAm.308c..60W. DOI:10.1038/scientificamerican0313-60. PMID 23469434.