Uitgerust met kleine lasers voor de ogen, kunnen zwermen kleine robotdrones binnenkort in staat zijn om velden met gewassen te bestuiven, ingestorte gebouwen te zoeken naar overlevenden of luchtkwaliteitsmetingen te doen over grote gebieden.
In 2012 haalden onderzoekers van Harvard University de krantenkoppen toen ze een robotachtig insect lanceerden, dat slechts milligram woog, en keken hoe het met succes vloog en landde; een jaar later kon het een voorgeprogrammeerd pad volgen. Sindsdien heeft de RoboBee geleerd hoe te zwemmen, maar er is nog steeds een grote kloof in zijn mogelijkheden: hij kan niet effectief zien.
Onderzoekers van de Universiteit van Buffalo en de Universiteit van Florida werken eraan om dat te veranderen. In de komende drie jaar, met behulp van een subsidie van $ 1, 1 miljoen van de National Science Foundation, testen Karthik Dantu in Buffalo en Sanjeev Koppal in Florida manieren om de technologie te verminderen die wordt gebruikt in lidar, of lichtdetectie en variërend, om de kleine drones het vermogen om zichzelf naar een doel te navigeren zonder daar door een menselijke operator te worden gereden. Ze zouden net als de zelfrijdende auto van Google zijn, maar duizenden keren kleiner.
"We hadden een dieptesensor nodig voor intelligent gedrag", zegt Koppal. "Toen we dachten welke technieken we konden gebruiken, stond lidar bovenaan de lijst."
Lidar is ontwikkeld in de jaren zestig na de uitvinding van de laser en werkt net als radar of sonar, maar met licht. Door een reeks onzichtbare lichtstralen in de omgeving te pulseren, creëert lidar een gedetailleerd beeld van de omgeving op basis van licht dat terugkaatst naar zijn sensoren. Lidar kan licht in de zichtbare, ultraviolette en bijna-infrarode golflengten gebruiken voor beeldvorming, en de kortere golflengten maken het mogelijk om deeltjes te meten die zo klein zijn als aerosols in de lucht.
Maar het kleinste commerciële lidarsysteem weegt 830 gram, of bijna twee pond, terwijl een robotbij slechts 80 milligram is - lichter dan een kleine paperclip. Met andere woorden, het creëren van microlidaire capaciteit vereist krimp op Ant-Man-niveau.
Conventionele camera's konden niet worden gebruikt, legt Dantu uit, omdat de robots gewoon te klein zijn - diepte-perceptie met camera's vereist dat ze op een minimale afstand van elkaar staan, zoals ogen, en er is gewoon niet dat soort ruimte op de drone. Het vangen en analyseren van lichtstralen om afstand en diepte waar te nemen was het logische pad, omdat het afhankelijk is van het verzamelen van licht vanuit elke richting. Bovendien verbruiken camera's en beeldverwerking veel stroom, wat ook op de RoboBees een premium is. Ongeveer 97 procent van het totale energiebudget aan boord van een robotbij wordt verbruikt door de vlucht; computer- en detectiesystemen kunnen vechten met andere systemen voor de restjes.
Met de subsidie ontwerpt Koppal nieuwe lichtgewicht sensoren en werkt Dantu aan wiskundige algoritmen om die sensoren te helpen de gegevens die ze verzamelen het beste te gebruiken. Een collega van Koppal in Florida, Huikai Xie, werkt aan de bouw van de nodige laserzenders.
Ten eerste zullen de onderzoekers een spiegel met groothoekoptiek op de drone gebruiken om laserpulsen van een extern lidar basisstation te verzamelen en het juiste algoritme voor de sensoren met die gegevens af te stemmen. De tweede stap is om een laserdiode op de drone zelf te monteren, gevoed via tether naar een basisstation of batterij. Vanaf daar is het ultieme doel om alles intern te krijgen.
(Microbiotics Lab, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences en het Wyss Institute for Biological Inspired Engineering) Microlidar zou kunnen worden gebruikt in endoscopische sondes, de toverstafachtige hulpmiddelen die worden gebruikt tijdens chirurgie en die momenteel echografie gebruiken om interne organen en lichaamsstructuren te visualiseren. Een hele zwerm robotbijen zou luchtvervuiling, het weer of verkeerspatronen over een groot gebied kunnen volgen. Elke discipline die momenteel lidar gebruikt, kan potentieel profiteren, zoals topografische kaarten, detectie van seismische fouten, identificatie van onontdekte minerale afzettingen, architecturale planning en rioolonderhoud.
Hoewel Dantu en Koppal zich richten op het bouwen van een levensvatbaar lidarsysteem voor de drone, is de manier waarop de gegevens worden verzameld en verwerkt een hindernis die ze vaak bespreken. De bij of de zwerm bijen zou een deel van de gegevensverwerking alleen kunnen doen, en ook gezamenlijk gegevens via gecodeerde lichtpulsen naar een basisstation kunnen verzenden voor diepgaande berekeningen.
Michael Olsen, universitair hoofddocent geomatica aan de Oregon State University, werkt met lidar om topografie en terreinmapping te bestuderen en gebruikt voornamelijk scanners op de grond om kusterosie, de veiligheid van bruggen en aardbevingstechnieken te bekijken. Hij zegt dat het ontbreken van het vermogen om een complete dataset te verzamelen een grote beperking is bij conventionele lidarsystemen.
"We hebben onvermijdelijk hiaten in onze gegevens als gevolg van zichtbeperkingen, " zegt Olsen. “Deze RoboBees zouden potentieel zeer nuttig kunnen zijn om een aantal van deze hiaten te vullen om een completer model te produceren. Het inkrimpen van een actief lasersysteem, zoals lidar, is een hele uitdaging, en wat de onderzoekers hier aanpakken is een geheel nieuwe schaal. Het klinkt alsof ze met een aantal zeer interessante oplossingen zijn gekomen voor beperkingen in vermogen, gewicht en grootte. ”
Volledig gerealiseerd, zou een zwerm met met microlidar uitgeruste bijendronken rond bomen in een dicht bos kunnen vliegen om de structuur van elke boom beter te vangen, of onder de stijlen van een brug, scans moeilijk te maken met conventionele technieken.
Hoewel lidar momenteel wordt gebruikt voor onderzoek en industriële toepassingen, kan microlidar veel thuis- of medisch gebruik hebben. Huisjagers zouden toegang kunnen hebben tot een volledige 3D-weergave van een te koop aangeboden huis en de exacte afmetingen van kamers kennen om te plannen hoe meubels zouden passen. Zoek- en reddingsmissies kunnen door kleine ruimtes in ingestorte structuren kammen. Thuisgebaseerde systemen kunnen detecteren of er iets mis is of ontbreekt, of de mate waarin de aarde is verschoven na een aardverschuiving of aardbeving. En bodybuilders of gewichtsverlieszoekers kunnen regelmatig en gedetailleerde scans van hun lichaam krijgen om de omvang van hun vooruitgang te kennen.
Dantu en Koppal geven toe dat dit soort toepassingen nog vele jaren in de toekomst liggen, maar dat het praktische karakter van de technologie veelbelovend is.
"Als je iets op de RoboBee kunt doen, kun je het overal doen", zegt Koppal. “Microlidar kan overal werken waar regelmatig lidar wordt gebruikt. Er zijn allerlei toepassingen in de landbouw en de industrie waar mensen al lidar gebruiken om de fabrieksvloer of boerderij in kaart te brengen. In veel gevallen is kleiner en goedkoper gewoon beter. ”
En vergeet niet dat deze lasers geen krachtige zappers zijn. RoboBees zal ze niet gebruiken om te verdelen en te veroveren - alleen om een nauwkeuriger beeld te krijgen van de wereld om hen heen.
