РобоБи
RoboBee – это крошечный робот , способный к частично беспривязному полету , разработанный исследовательской группой робототехники Гарвардского университета . В результате двенадцатилетних исследований RoboBee решила две ключевые технические проблемы микроробототехники . Инженеры изобрели процесс, вдохновленный всплывающими книгами , который позволил им точно и эффективно строить в субмиллиметровом масштабе. Чтобы добиться полета, они создали искусственные мышцы, способные взмахивать 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 возможным, исследователям необходимо выяснить, как обеспечить питание и функции принятия решений, которые в настоящее время передаются роботу через крошечный трос, интегрированный с основным корпусом.
Размах крыльев RoboBee в 3 сантиметра (1,2 дюйма) делает его самым маленьким искусственным устройством, созданным по образцу насекомого и способным летать.
История
[ редактировать ]Уже более десяти лет исследователи Гарвардского университета работают над созданием крошечных летающих роботов. [2] Агентство США перспективных исследовательских проектов Министерства обороны профинансировало ранние исследования в надежде, что они приведут к созданию решений по скрытному наблюдению на поле боя и в городских ситуациях. Вдохновленные биологией мухи , первые усилия были направлены на то, чтобы поднять робота в воздух. Полет был осуществлен в 2007 году, но движение вперед потребовало ориентира, поскольку на борту не было возможности построить механизмы управления. Исследователь робототехники из Калифорнийского университета в Беркли Рон Фиринг назвал это достижение «большим прорывом» в области микроробототехники. [3]
Идея микролетающих систем не была новой. « DelFly » (3,07 г) был способен к самостоятельному полету вперед без привязи, в то время как микромеханические исследовательские устройства летающих насекомых (0,1 кг) имели достаточную мощность для зависания, но не обладали способностью к самостоятельному полету. [4]
Основываясь на перспективах первых экспериментов с роботизированными мухами, в 2009 году был запущен проект RoboBee с целью выяснить, что потребуется для «создания колонии роботизированных пчел». [5]
Достижение управляемого полета оказалось чрезвычайно трудным и потребовало усилий разнообразной группы: экспертов по зрению, биологов, материаловедов, инженеров-электриков. [2] Летом 2012 года исследователи решили ключевые технические проблемы, позволив своему роботу по прозвищу RoboBee совершить свой первый управляемый полет. Результаты их исследования были опубликованы в журнале Science в начале мая 2013 года. [6]
Проблемы проектирования
[ редактировать ]По словам исследователей RoboBee, предыдущие попытки миниатюризировать роботов им мало помогли, поскольку небольшой размер RoboBee меняет природу действующих сил. [5] Инженерам пришлось придумать, как строить без роторных двигателей , шестерен , гаек и болтов , которые нежизнеспособны в таких малых масштабах. [5] [7] В 2011 году они разработали технику, при которой вырезают рисунки из плоских листов, накладывают их слоями и складывают творению по форме. [2] Клей использовался для скрепления сложенных частей, аналогично оригами . [7] Эта техника заменила более ранние, которые были более медленными и менее точными и использовали менее прочные материалы. [2] Производственный процесс, вдохновленный всплывающими книгами , позволяет быстро производить прототипы устройств RoboBee. [8] [1]
На микроуровне небольшая турбулентность может оказать существенное влияние на полет. Чтобы преодолеть это, исследователям пришлось заставить RoboBee реагировать очень быстро. [2] Для крыльев они построили « искусственные мышцы » с помощью пьезоэлектрического привода — тонкой керамической полоски, которая сжимается при электрического тока . пропускании через нее [7] Тонкие пластиковые петли служат шарнирами, обеспечивающими вращательные движения крыльев. [2] Конструкция позволяет роботам генерировать мощность, сравнимую с мощностью насекомого такого же размера. [5] Каждым крылом можно управлять отдельно в режиме реального времени. [2]
Конечная цель проекта — создание колоний полностью автономных и беспроводных RoboBees. [2] По состоянию на 2013 год две проблемы остаются нерешенными. Во-первых, робот слишком мал даже для самых маленьких инкапсулированных микрочипов , а это 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 обеспечить на борту надежный источник питания. [7] «Вопрос власти также оказывается своего рода ловушкой-22 », - заметил Вуд. «Большой энергоблок хранит больше энергии, но требует более крупной двигательной установки , чтобы справиться с возросшим весом, что, в свою очередь, требует еще более мощного источника энергии». [5] Вместо этого роботов приходится привязывать крошечными шнурами, которые подают электроэнергию и направляют. [7] Недавним прогрессом в управлении питанием на борту стала демонстрация обратимой и энергоэффективной установки на выступах. Это позволяет прототипу оставаться на высокой высоте, сохраняя при этом энергию. [9]
Будущее использование
[ редактировать ]Если исследователи решат проблемы с микрочипами и питанием, считается, что группы RoboBees, использующие роевой интеллект, будут очень полезны в поисково-спасательных операциях, а также 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 применения для отдельных или небольших групп RoboBees включают скрытое наблюдение и обнаружение вредных химических веществ. [3]
Ранее такие партии, как Electronic Frontier Foundation, выражали обеспокоенность по поводу воздействия на конфиденциальность гражданского населения использования миниатюрных летающих роботов военными и правительством. [10] [11] В некоторых регионах, таких как штат Техас и город Шарлоттсвилл, штат Вирджиния , регулирующие органы ограничили их использование широкой публикой. [12] [13]
По мнению исследователей проекта, «всплывающий» производственный процесс позволит в будущем полностью автоматизировать массовое производство RoboBees. [8] Гарвардский институт Висса занимается коммерциализацией технологий складывания и раскладывания, изобретенных для этого проекта. [2]
Технические характеристики
[ редактировать ]Размах крыльев RoboBee составляет 3 сантиметра (1,2 дюйма), что считается наименьшим размахом крыльев, созданным человеком для полета. Крылья могут взмахивать 120 раз в секунду и управляться дистанционно в режиме реального времени. Каждая RoboBee весит 80 миллиграммов (0,0028 унции). [7]
Обеспокоенность по поводу роботизированных пчел и устойчивости
[ редактировать ]Идея о том, что роботизированное опыление сельскохозяйственных культур может противодействовать сокращению числа опылителей, в последнее время приобрела широкую популярность. [ когда? ] Исследователи в области пчелиного опыления, здоровья пчел, сохранения пчел и агроэкологии утверждают, что RoboBee и другие искусственные опылители, созданные с использованием материалов, в настоящее время являются технически и экономически неосуществимым решением и представляют существенные экологические и моральные риски: (1) несмотря на недавние достижения, опыление с помощью роботов далеко не способно заменить пчел для эффективного опыления сельскохозяйственных культур; (2) использование роботов вряд ли будет экономически жизнеспособным; (3) экологические издержки будут неприемлемо высокими; (4) будут повреждены более широкие экосистемы; (5) это подорвет ценность биоразнообразия; и (6) использование роботизированного опыления может фактически привести к серьезному отсутствию продовольственной безопасности. [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Веб-сайт проекта Института Висса, Гарвард - https://wyss.harvard.edu/technology/autonomous-flying-microrobots-robobees/
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «RoboBees: Роботизированные насекомые совершают первый управляемый полет (с видео)» . Физика.орг . 2 мая 2013 года . Проверено 3 мая 2013 г.
- ^ Jump up to: а б Рэйчел Росс (19 июля 2007 г.). «Роботизированное насекомое взлетает» . Обзор технологий . Архивировано из оригинала 29 апреля 2013 года . Проверено 3 мая 2013 г.
- ^ Редизайн микромеханического летающего насекомого в контексте плотности мощности . п. 3.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Вуд, Роберт; Нагпал, Радхика; Вэй, Гу Ён (11 марта 2013 г.). «Полет роботов». Научный американец . 308 (3): 60–65. Бибкод : 2013SciAm.308c..60W . doi : 10.1038/scientificamerican0313-60 . ПМИД 23469434 .
- ^ Ма, Кевин Ю.; Чирараттананон, Пакпонг; Фуллер, Сойер Б.; Вуд, Роберт Дж. (май 2013 г.). «Управляемый полет биологического робота размером с насекомое». Наука . 340 (6132): 603–607. Бибкод : 2013Sci...340..603M . дои : 10.1126/science.1231806 . ПМИД 23641114 . S2CID 21912409 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Амина Хан (2 мая 2013 г.). «Познакомьтесь с RoboBee, летающим роботом размером с жука, созданным на основе биотехнологий» . Лос-Анджелес Таймс . Проверено 2 мая 2013 г.
- ^ Jump up to: а б Дэвис, Шошана (2 мая 2013 г.). « РобоПчелы» совершили первый полет» . Новости CBS . Проверено 3 мая 2013 г.
- ^ Грауле, Мориц А.; Чирараттананон, Пакпонг; Фуллер, Сойер Б.; Джафферис, Ной Т.; Ма, Кевин Ю.; Спенко, Мэтью; Корнблу, Рой; Вуд, Роберт Дж. (май 2016 г.). «Посадка и взлет роботизированного насекомого на свесах с использованием отключаемой электростатической адгезии» . Наука . 352 (6288): 978–982. Бибкод : 2016Sci...352..978G . дои : 10.1126/science.aaf1092 . ПМИД 27199427 .
- ^ Рив, Элспет. «Дрон-робот-колибри — новейшая шпионская игрушка военных» . Атлантический провод . Проверено 6 мая 2013 г.
- ^ «ФАУ опубликовало новый список дронов: ваш город на карте?» . Фонд электронных границ. 7 февраля 2013 года . Проверено 6 мая 2013 г.
- ^ «Техас объявляет войну роботам» . Роботы.нет . Проверено 6 мая 2013 г.
- ^ «Город в Вирджинии принимает резолюцию против дронов» . Лос-Анджелес Таймс . 6 февраля 2013 года . Проверено 6 мая 2013 г.
- ^ Поттс, СГ; Нойманн, П.; Васьер, Б.; Верикекен, Нью-Джерси (июнь 2018 г.). «Роботы-пчелы для опыления сельскохозяйственных культур: почему дроны не могут заменить биоразнообразие» . Наука об общей окружающей среде . 642 : 665–667. Бибкод : 2018ScTEn.642..665P . doi : 10.1016/j.scitotenv.2018.06.114 . ПМИД 29909334 . S2CID 49419492 . (требуется подписка)
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Домашняя страница проекта Robobees
- Scientific American. Архивировано 8 мая 2013 г. в статье Wayback Machine о RoboBee с видео.
- статья ВРЕМЯ
- Ма, Кевин Ю.; Чирараттананон, Пакпонг; Фуллер, Сойер Б.; Вуд, Роберт Дж. (май 2013 г.). «Управляемый полет биологического робота размером с насекомое». Наука . 340 (6132): 603–607. Бибкод : 2013Sci...340..603M . дои : 10.1126/science.1231806 . ПМИД 23641114 . S2CID 21912409 . — Оригинальная научная статья.
- Грауле, Мориц А.; Чирараттананон, Пакпонг; Фуллер, Сойер Б.; Джафферис, Ной Т.; Ма, Кевин Ю.; Спенко, Мэтью; Корнблу, Рой; Вуд, Роберт Дж. (май 2016 г.). «Посадка и взлет роботизированного насекомого на свесах с использованием отключаемой электростатической адгезии» . Наука . 352 (6288): 978–982. Бибкод : 2016Sci...352..978G . дои : 10.1126/science.aaf1092 . ПМИД 27199427 . - Научная статья о сидении