Ясемин Озкан-Айдин, доцент кафедры электротехники Университета Нотр-Дам, инженер-робототехник, черпает вдохновение в биологических системах. Коллективное поведение муравьев, медоносных пчел и птиц для решения проблем и преодоления препятствий - это то, что исследователи разработали в области воздушной и подводной робототехники. Однако разработка небольших роевых роботов, способных перемещаться по сложной местности, сопряжена с уникальным набором проблем.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Robotics, Озкан-Айдин рассказывает, как ей удалось построить многоногих роботов, способных маневрировать в сложных условиях и коллективно выполнять сложные задачи, имитируя своих собратьев из природного мира.
«Роботы с ногами могут перемещаться в сложных условиях, таких как пересеченная местность и тесные пространства, а использование конечностей обеспечивает эффективную поддержку тела, обеспечивает быструю маневренность и облегчает преодоление препятствий», - сказал Озкан-Айдин. «Однако роботы на ногах сталкиваются с уникальными проблемами мобильности в наземных условиях, что приводит к снижению двигательной активности».
Для исследования, сказала Озкан-Айдин, она выдвинула гипотезу о том, что физическая связь между отдельными роботами может повысить мобильность наземной коллективной системы с ногами. Отдельные роботы выполняли простые или небольшие задачи, такие как перемещение по гладкой поверхности или перенос легкого предмета, но если задача была не по силам одному устройству, роботы физически соединялись друг с другом, образуя более крупную многоногую систему и коллективно. преодолеть проблемы.
Когда муравьи собирают или перевозят предметы, если один из них сталкивается с препятствием, группа работает сообща, чтобы преодолеть это препятствие. Например, если на пути есть брешь, они образуют мост, по которому могут пройти другие муравьи - и это послужило источником вдохновения для данного исследования, - сказала она. динамику и коллективное поведение этих биологических систем и исследовать, как мы могли бы использовать такие технологии в будущем».
Используя 3D-принтер, Озкан-Айдын построил четвероногих роботов длиной от 15 до 20 сантиметров или примерно от 6 до 8 дюймов. Каждый из них был оснащен литий-полимерной батареей, микроконтроллером и тремя датчиками - датчиком освещенности спереди и двумя магнитными сенсорными датчиками спереди и сзади, что позволяло роботам соединяться друг с другом. Четыре гибкие ноги уменьшили потребность в дополнительных датчиках и деталях и придали роботам уровень механического интеллекта, который помогал при взаимодействии с пересеченной или неровной местностью.
«Вам не нужны дополнительные датчики для обнаружения препятствий, потому что гибкость ног помогает роботу двигаться прямо мимо них», - сказал Озкан-Айдын.«Они могут проверять наличие промежутков на пути, строя мост своими телами, перемещать объекты по отдельности или соединяться, чтобы перемещать объекты коллективно в различных типах среды, что очень похоже на муравьев».
Озкан-Айдын начала свои исследования в начале 2020 года, когда большая часть страны была закрыта из-за пандемии COVID-19. После печати каждого робота она собирала каждого и проводила свои эксперименты дома, во дворе или на детской площадке с сыном. Роботы были протестированы на траве, мульче, листьях и желудях. Эксперименты на плоской поверхности проводились над древесно-стружечными плитами, и она построила лестницу с использованием изоляционной пены. Роботы также были протестированы на ворсистом ковре, а прямоугольные деревянные блоки были приклеены к ДСП, чтобы они служили пересеченной местностью.
Когда отдельный блок застревал, сигнал посылался дополнительным роботам, которые соединялись вместе, чтобы обеспечить поддержку для успешного преодоления препятствий при совместной работе.
Озкан-Айдын говорит, что ее дизайн еще предстоит улучшить. Но она ожидает, что результаты исследования послужат основой для разработки недорогих роев на ногах, которые могут адаптироваться к непредвиденным ситуациям и выполнять совместные задачи в реальном мире, такие как поисково-спасательные операции, коллективная транспортировка объектов, исследование космоса и мониторинг окружающей среды. Ее исследования будут сосредоточены на улучшении возможностей управления, восприятия и мощности системы, которые необходимы для передвижения и решения проблем в реальном мире, и она планирует использовать эту систему для изучения коллективной динамики насекомых, таких как муравьи и термиты.
«Для функциональных роевых систем необходимо улучшить аккумуляторную технологию», - сказала она. «Нам нужны небольшие батареи, которые могут обеспечить большую мощность, в идеале работающую более 10 часов. В противном случае использование этого типа системы в реальном мире не будет устойчивым». Дополнительные ограничения включают потребность в большем количестве датчиков и более мощных двигателях при сохранении небольшого размера роботов.
"Вам нужно подумать о том, как роботы будут работать в реальном мире, поэтому вам нужно подумать о том, сколько энергии требуется, размер батареи, которую вы используете. Все ограничено, поэтому вам нужно принимать решения с каждой частью машины."
Daniel I. Goldman из Технологического института Джорджии выступил соавтором исследования.