Wat kan vliegen als een vogel en zweven als een insect?

Je vriendelijke buurtkolibries. Als drones deze combo hadden, ze zouden beter door ingestorte gebouwen en andere rommelige ruimtes kunnen manoeuvreren om opgesloten slachtoffers te vinden.

Purdue University-onderzoekers hebben vliegende robots ontwikkeld die zich gedragen als kolibries, getraind door machine learning-algoritmen op basis van verschillende technieken die de vogel elke dag op natuurlijke wijze gebruikt.

Dit betekent dat na het leren van een simulatie, de robot "weet" hoe hij zichzelf moet verplaatsen zoals een kolibrie zou doen, zoals het onderscheiden wanneer een ontsnappingsmanoeuvre moet worden uitgevoerd.

Kunstmatige intelligentie, gecombineerd met flexibele klapvleugels, stelt de robot ook in staat zichzelf nieuwe trucs aan te leren. Ook al kan de robot nog niet zien, bijvoorbeeld, het voelt door oppervlakken aan te raken. Elke aanraking verandert een elektrische stroom, waarvan de onderzoekers beseften dat ze konden volgen.

"De robot kan in wezen een kaart maken zonder zijn omgeving te zien. Dit kan handig zijn in een situatie waarin de robot op een donkere plaats naar slachtoffers zoekt - en het betekent een sensor minder om toe te voegen als we de robot de mogelijkheid geven om zien, " zei Xinyan Deng, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Purdue.

De onderzoekers presenteren hun werk op 20 mei op de IEEE International Conference on Robotics and Automation 2019 in Montreal.

Drones kunnen niet oneindig kleiner worden gemaakt, vanwege de manier waarop conventionele aerodynamica werkt. Ze zouden niet genoeg lift kunnen genereren om hun gewicht te dragen.

Maar kolibries gebruiken geen conventionele aerodynamica - en hun vleugels zijn veerkrachtig. "De fysica is gewoon anders; de aerodynamica is inherent onstabiel, met hoge aanvalshoeken en hoge lift. Hierdoor is het mogelijk om kleinere, vliegende dieren bestaan, en ook mogelijk voor ons om flappende vleugelrobots te verkleinen, ' zei Deng.

Onderzoekers proberen al jaren de vlucht van kolibries te decoderen, zodat robots kunnen vliegen waar grotere vliegtuigen dat niet kunnen. In 2011, het bedrijf AeroVironment, in opdracht van DARPA, een agentschap binnen het Amerikaanse ministerie van Defensie, bouwde een robotkolibrie die zwaarder was dan een echte, maar niet zo snel, met helikopterachtige vluchtbesturingen en beperkte manoeuvreerbaarheid. Er moest altijd een mens achter een afstandsbediening zitten.

Deng's groep en haar medewerkers bestudeerden zelf meerdere zomers kolibries in Montana. Ze documenteerden de belangrijkste manoeuvres van de kolibrie, zoals een snelle bocht van 180 graden maken, en vertaalde ze naar computeralgoritmen waarvan de robot kon leren wanneer hij werd aangesloten op een simulatie.

Nader onderzoek naar de fysica van insecten en kolibries stelde Purdue-onderzoekers in staat om robots te bouwen die kleiner zijn dan kolibries - en zelfs zo klein als insecten - zonder afbreuk te doen aan de manier waarop ze vliegen. Hoe kleiner de maat, hoe groter de slagfrequentie van de vleugels, en hoe efficiënter ze vliegen, zegt Deng.

De robots hebben 3D-geprinte lichamen, vleugels gemaakt van koolstofvezel en lasergesneden membranen. De onderzoekers hebben een kolibrierobot gebouwd met een gewicht van 12 gram - het gewicht van de gemiddelde volwassen Magnificent Hummingbird - en een andere robot ter grootte van een insect met een gewicht van 1 gram. De kolibrierobot kan meer tillen dan zijn eigen gewicht, tot 27 gram.

Het ontwerpen van hun robots met een hogere lift geeft de onderzoekers meer speelruimte om uiteindelijk een batterij en sensortechnologie toe te voegen, zoals een camera of gps. Momenteel, de robot moet tijdens het vliegen aan een energiebron worden vastgemaakt, maar dat zal niet lang meer duren, zeggen de onderzoekers.

De robots konden geruisloos vliegen, net als een echte kolibrie, waardoor ze meer ideaal zijn voor geheime operaties. En ze blijven stabiel door turbulentie, die de onderzoekers demonstreerden door de dynamisch geschaalde vleugels in een olietank te testen.

De robot heeft slechts twee motoren nodig en kan elke vleugel onafhankelijk van de andere besturen, dat is hoe vliegende dieren zeer behendige manoeuvres in de natuur uitvoeren.

"Een echte kolibrie heeft meerdere spiergroepen om kracht- en stuurbewegingen te maken, maar een robot moet zo licht mogelijk zijn, zodat u maximale prestaties heeft met een minimaal gewicht, ' zei Deng.

Robotkolibries zouden niet alleen helpen bij zoek- en reddingsmissies, maar stellen biologen ook in staat om kolibries in hun natuurlijke omgeving betrouwbaarder te bestuderen door de zintuigen van een realistische robot.

"We hebben van de biologie geleerd om de robot te bouwen, en nu kunnen biologische ontdekkingen gebeuren met extra hulp van robots, ' zei Deng.

Simulaties van de technologie zijn open source beschikbaar op https://github.com/purdue-biorobotics/flappy.

Vroege stadia van het werk, waaronder de Montana-kolibrie-experimenten in samenwerking met de groep van Bret Tobalske aan de Universiteit van Montana, werden financieel ondersteund door de National Science Foundation.