Робот-инсектоид
Робот -инсектоид — это обычно небольшой робот, обладающий некоторыми чертами, напоминающими насекомое. К ним могут относиться методы передвижения (в том числе полеты ), методы навигации и искусственный интеллект, основанный на моделях насекомых. Многие проблемы, с которыми столкнулись конструкторы миниатюрных роботов, были решены эволюцией насекомых. Исследователи, естественно, обращаются к насекомым за вдохновением и решениями.
Передвижение
[ редактировать ]Прогулка
[ редактировать ]
Движение роботов часто основывается на физиологии насекомых. Эти роботы обычно имеют форму шестиногих . Исследования стали междисциплинарными, в них участвуют не только инженеры-робототехники, но и биологи, особенно нейробиологи . Инженеры получают выгоду от этой связи, поскольку лучше понимают функционирование насекомых, которых они использовали для моделирования своих роботов. Биологи, в свою очередь, получают платформу, на которой они могут проверить свои теории управления моторикой насекомых. [1]
Создание робота, способного ходить по плоской поверхности в лаборатории, — довольно простая задача. Эту задачу справится с помощью шестиногого робота с механически связанными простыми колышками вместо ног. С другой стороны, колесный робот может быть еще проще, но может оказаться совершенно неспособным решить гораздо более сложную задачу пересечения пересеченной местности с непредсказуемыми препятствиями. Для этого нужны сочленения ног, как у настоящего насекомого, с сенсомоторной регуляцией, как у настоящего насекомого. Простой ритмичный цикл ног не подойдет. Ноги и суставы должны контролироваться индивидуально и в комплексе по информации, полученной от датчиков положения конечностей и нагрузки. [2]
Походка насекомых меняется с нужной скоростью. Исследования показали, что эти модели походки все еще могут генерироваться локально у многих насекомых, даже когда они полностью отключены от центральной нервной системы . [3] У некоторых насекомых, например у таракана , походка бегущего насекомого меняется отчасти потому, что нервная система насекомого не может реагировать достаточно быстро. Бегущий таракан меняет походку на толкание всеми тремя ногами с одной стороны вместе. Характерное движение животного из стороны в сторону происходит на биомеханической резонансной частоте, определяемой весом насекомого и жесткостью пружин объединенных ног. Этот режим не требует ввода данных от внешнего контроллера, он эффективен и стабилен. [4] Исследователи признают преимущества особенностей настоящих насекомых, но по состоянию на 2004 год «они лишь изредка объединялись в робота...» [5]
Летающий
[ редактировать ]
Для очень маленького самолета полет с неподвижным крылом становится непрактичным из-за быстрого уменьшения подъемной силы к лобовому сопротивлению с увеличением размера. С другой стороны, полет насекомых всегда орнитоптерный , что предполагает подход к использованию роботов-инсектоидов. Ма и др. например, разработали привязанного робота- муху с машущими крыльями, изготовленными из пьезоэлектрического материала . Ма решил моделировать робота на лету, потому что, согласно их статье, это самое подвижное существо на свете, и, следовательно, его сложнее всего подражать роботу. [6]
Искусственный интеллект
[ редактировать ]У насекомых очень мало ресурсов для развития интеллекта в человеческом понимании вычислительной мощности мозга . Число нейронов у насекомого варьируется в зависимости от вида от миллиона до десяти тысяч. [7] Для сравнения, у людей 86 миллиардов нейронов. [8] Кроме того, большой мозг чрезвычайно энергоемок. Поэтому насекомым необходимо найти другие методы развития интеллекта, такие как воплощение интеллекта в аппаратных средствах, локальных сенсорно-моторных соединениях и роевом интеллекте. Одно время надеялись, что роботы избавят от необходимости таких решений из-за быстро растущей вычислительной мощности и уменьшения размеров компьютеров согласно закону Мура . Однако этот процесс, похоже, подходит к своему пределу, и решения по борьбе с насекомыми выглядят все более привлекательными. [9]
О независимых от центральной нервной системы ритмах ходьбы тараканов уже упоминалось. Крупный прорыв в летающих роботах-инсектоидах произошел благодаря применению тех же принципов к крыльям. Попытки управлять углом атаки крыльев с помощью центрального процессора не увенчались успехом, поскольку не удалось добиться отношения подъемной силы к массе больше единицы. Удаление процессора и разрешение крыльям пассивно вращаться с собственной частотой механической системы уменьшили вес настолько, что впервые удалось обеспечить управляемый полет инсектоида. [10] в 2008 году с роботом, похожим на муху. Однако робот имел внешнее питание посредством шлангокабеля, а не полностью свободный полет. [11]
Стаи роботов могут решать проблемы, которые невозможно решить с помощью ограниченного вычислительного ресурса одного робота. Они особенно полезны в исследовательских задачах. Их можно использовать для поиска кратчайшего маршрута к месту назначения, а также они предлагаются для поиска источников газа в опасных средах. Другое предложение — роботы, которые самостоятельно собираются в структуру, позволяющую рою преодолевать пропасть, как муравьи. [12]
Навигация
[ редактировать ]Летающие насекомые имеют плохое визуальное пространственное разрешение, должны быстро реагировать и практически не обладают развитой способностью нейронной обработки. Из-за ограничений по размеру и весу летающие роботы-инсектоиды сталкиваются с очень похожим набором проблем. В 2003 году Франческини и др. исследовали возможность использования насекомых для решения задач навигации роботов. Франческини построил исследовательского робота, основанного на нейронной физиологии мухи. На самом деле робот не был летающим роботом, а представлял собой колесное транспортное средство. [13] Цель исследования заключалась в том, чтобы показать, что простое сенсорно-моторное управление, использующее только визуальное обнаружение движения, позволяет ориентироваться по курсу. [14]
Использование интеллекта насекомых в навигации роботов ведется с 1986 года, но поначалу инженеры, создающие роботов, не занялись им. Было высказано мнение, что, поскольку у насекомых отсутствует зрительная кора и, следовательно, они не могут выполнять сложную визуальную обработку и формирование изображений, робот, основанный на такой технологии, не будет очень успешным. Франческини утверждает, что для решения задач навигации не обязательно иметь зрительную кору, и на самом деле это будет ненужной нагрузкой для робота-насекомого (будут иметь значение как вес, так и время обработки). Франческини указывает, что многие зрительные системы человека также не проходят через зрительную кору. Не всегда необходимо формировать изображения и идентифицировать объекты. [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Делкомин, с. 51.
- ^ Делкомин, с. 52.
- ^ Делкомин, с. 53.
- ^ Делкомин, с. 56.
- ^ Делкомин, с. 62.
- ^ Ма и др. , с. 603.
- ^ де Крун и др. , с. 1.
- ^ Войтек.
- ^ де Крун и др. , стр. 1–2.
- ^ де Крун и др. , с. 2.
- ^ Вуд, с. 341.
- ^ де Крун и др. , с. 3.
- ^ Франческини и др. , с. 36.
- ^ Франческини и др. , с. 31.
- ^ Франческини и др. , стр. 31–32.
Библиография
[ редактировать ]- GCHE de Croon, JJG Dupeyroux, SB Fuller, JAR Marshall, «ИИ для автономных роботов, вдохновленный насекомыми» , Science Robotics , vol. 7, нет. 67, 2022 doi : 10.1126/scirobotics.abl6334 .
- Фред Делкомин, «Ходьба насекомых и робототехника» , Annual Review of Entomology , vo. 49, стр. 51–70, 2004.
- Н. Франческини, Ж. М. Пишон, К. Бланес, «От видения насекомых к зрению роботов» , Philosophical Transactions of the Royal Society B , vol. 337, вып. 1281, 29 сентября 1992 г. два : 10.1098/rstb.1992.0106 .
- Кевин Ю. Ма, Пакпонг Чирараттананон, Сойер Б. Фуллер и Роберт Дж. Вуд, «Управляемый полет биологически вдохновленного робота размером с насекомое» , Science , vol. 340, вып. 6132, стр. 603–607, 3 мая 2013 г. дои : 10.1126/science.1231806 .
- Брэдли Войтек: «Действительно ли в человеческом мозге столько же нейронов, сколько звезд в Млечном Пути?» , Scitable , 20 мая 2013 г.
- Роберт Дж. Вуд, «Первый взлет биологически вдохновленного роботизированного насекомого» , IEEE Transactions on Robotics , vol. 24, вып. 2, стр. 341–347, апрель 2008 г. {{doi:10.1109/TRO.2008.916997}}.