Künftig könnten winzige Flugroboter eingesetzt werden, um bei der Suche nach Überlebenden zu helfen, die nach einem verheerenden Erdbeben unter den Trümmern eingeschlossen sind. Wie echte Insekten könnten diese Roboter durch enge Räume flitzen, die größere Roboter nicht erreichen können, und gleichzeitig stationären Hindernissen und herabfallenden Trümmerstücken ausweichen.
Bisher konnten Mikroroboter in der Luft nur langsam auf glatten Flugbahnen fliegen, weit entfernt vom schnellen, agilen Flug echter Insekten – bis jetzt.
MIT-Forscher haben Mikroroboter aus der Luft demonstriert, die mit einer Geschwindigkeit und Agilität fliegen können, die mit ihren biologischen Gegenstücken vergleichbar ist. Ein Gemeinschaftsteam entwarf einen neuen KI-basierten Controller für den Roboterkäfer, der es ihm ermöglichte, turnerischen Flugbahnen zu folgen, beispielsweise durch die Ausführung kontinuierlicher Körperüberschläge.
Mit einem zweiteiligen Steuerungsschema, das hohe Leistung mit Recheneffizienz kombiniert, stiegen Geschwindigkeit und Beschleunigung des Roboters im Vergleich zu den besten bisherigen Demonstrationen der Forscher um etwa 450 Prozent bzw. 250 Prozent.
Der schnelle Roboter struggle wendig genug, um zehn aufeinanderfolgende Saltos in 11 Sekunden zu vollenden, selbst wenn Windstörungen drohten, ihn vom Kurs abzubringen.
Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung des Tender and Micro Robotics Laboratory
„Wir möchten in der Lage sein, diese Roboter in Szenarien einzusetzen, in denen herkömmliche Quad-Copter-Roboter Probleme haben würden, in denen Insekten aber navigieren könnten. Mit unserem bioinspirierten Steuerungsrahmen ist die Flugleistung unseres Roboters nun in Bezug auf Geschwindigkeit, Beschleunigung und Nickwinkel mit der von Insekten vergleichbar. Das ist ein ziemlich aufregender Schritt in Richtung dieses zukünftigen Ziels“, sagt Kevin Chen, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Leiter des Labors für Tender- und Mikrorobotik im Forschungslabor für Elektronik (RLE) und Co-Senior-Autor von a Papier über den Roboter.
Chen wird bei dem Artikel von den Co-Hauptautoren Yi-Hsuan Hsiao, einem EECS-MIT-Doktoranden, unterstützt. Andrea Tagliabue PhD ’24; und Owen Matteson, ein Doktorand in der Abteilung für Luft- und Raumfahrt (AeroAstro); sowie EECS-Doktorandin Suhan Kim; Tong Zhao MEng ’23; und Co-Senior-Autor Jonathan P. How, Ford-Professor für Ingenieurwissenschaften in der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik und Hauptforscher am Labor für Informations- und Entscheidungssysteme (LIDS). Die Forschung erscheint heute in Wissenschaftliche Fortschritte.
Ein KI-Controller
Chens Gruppe baut seit mehr als fünf Jahren Roboter-Insekten.
Sie haben kürzlich eine entwickelt langlebigere Model ihres winzigen Robotersein Gerät in Mikrokassettengröße, das weniger wiegt als eine Büroklammer. Die neue Model verwendet größere Schlagflügel, die agilere Bewegungen ermöglichen. Sie werden von einer Reihe weicher künstlicher Muskeln angetrieben, die extrem schnell mit den Flügeln schlagen.
Aber der Controller – das „Gehirn“ des Roboters, das seine Place bestimmt und ihm sagt, wohin er fliegen soll – wurde von einem Menschen von Hand eingestellt, was die Leistung des Roboters einschränkte.
Damit der Roboter wie ein echtes Insekt schnell und aggressiv fliegen konnte, benötigte er einen robusteren Controller, der Unsicherheiten berücksichtigen und komplexe Optimierungen schnell durchführen konnte.
Ein solcher Controller wäre zu rechenintensiv, um ihn in Echtzeit einzusetzen, insbesondere angesichts der komplizierten Aerodynamik des Leichtbauroboters.
Um diese Herausforderung zu meistern, schloss sich Chens Gruppe mit Hows Workforce zusammen und entwickelte gemeinsam ein zweistufiges, KI-gesteuertes Steuerungsschema, das die für komplexe, schnelle Manöver erforderliche Robustheit und die für den Echtzeiteinsatz erforderliche Recheneffizienz bietet.
„Die {Hardware}-Fortschritte haben den Controller vorangetrieben, sodass wir auf der Softwareseite mehr tun konnten, aber gleichzeitig gab es mit der Entwicklung des Controllers auch mehr Möglichkeiten mit der {Hardware}. Während Kevins Workforce neue Fähigkeiten demonstriert, zeigen wir, dass wir sie nutzen können“, sagt How.
Im ersten Schritt baute das Workforce einen sogenannten modellprädiktiven Regler. Diese Artwork leistungsstarker Steuerung nutzt ein dynamisches, mathematisches Modell, um das Verhalten des Roboters vorherzusagen und die optimale Reihe von Aktionen zu planen, um einer Flugbahn sicher zu folgen.
Es ist zwar rechenintensiv, kann aber anspruchsvolle Manöver wie Luftsaltos, schnelle Kurven und aggressive Körperneigungen planen. Dieser Hochleistungsplaner ist auch darauf ausgelegt, Einschränkungen hinsichtlich der Kraft und des Drehmoments zu berücksichtigen, die der Roboter aufbringen kann, was für die Vermeidung von Kollisionen unerlässlich ist.
Um beispielsweise mehrere Flips hintereinander auszuführen, müsste der Roboter so abbremsen, dass seine Anfangsbedingungen genau richtig sind, um den Flip noch einmal auszuführen.
„Wenn sich kleine Fehler einschleichen und man versucht, diesen Flip zehnmal mit diesen kleinen Fehlern zu wiederholen, stürzt der Roboter einfach ab. Wir brauchen eine robuste Flugsteuerung“, sagt How.
Sie verwenden diesen Expertenplaner, um eine „Richtlinie“ auf der Grundlage eines Deep-Studying-Modells zu trainieren, um den Roboter in Echtzeit durch einen Prozess namens Imitation Studying zu steuern. Eine Richtlinie ist die Entscheidungsmaschine des Roboters, die dem Roboter sagt, wohin und wie er fliegen soll.
Im Wesentlichen komprimiert der Imitation-Studying-Prozess den leistungsstarken Controller zu einem recheneffizienten KI-Modell, das sehr schnell laufen kann.
Der Schlüssel lag darin, eine intelligente Möglichkeit zu haben, gerade genug Trainingsdaten zu erstellen, die der Politik alles beibringen würden, was sie für aggressive Manöver wissen muss.
„Die robuste Trainingsmethode ist das Geheimnis dieser Technik“, erklärt How.
Die KI-gesteuerte Richtlinie verwendet Roboterpositionen als Ein- und Ausgänge für Steuerbefehle in Echtzeit, wie z. B. Schubkraft und Drehmomente.
Insektenähnliche Leistung
In ihren Experimenten ermöglichte dieser zweistufige Ansatz dem insektengroßen Roboter, 447 Prozent schneller zu fliegen und gleichzeitig eine Beschleunigung von 255 Prozent zu erzielen. Der Roboter struggle in der Lage, zehn Saltos in 11 Sekunden zu vollenden, und der winzige Roboter wich nie mehr als 4 oder 5 Zentimeter von seiner geplanten Flugbahn ab.
„Diese Arbeit zeigt, dass Tender- und Mikroroboter, die traditionell in ihrer Geschwindigkeit begrenzt waren, jetzt fortschrittliche Steuerungsalgorithmen nutzen können, um eine Beweglichkeit zu erreichen, die der von natürlichen Insekten und größeren Robotern nahe kommt, was neue Möglichkeiten für die multimodale Fortbewegung eröffnet“, sagt Hsiao.
Die Forscher konnten auch Sakkadenbewegungen nachweisen, die auftreten, wenn Insekten sehr aggressiv schlagen, schnell zu einer bestimmten Place fliegen und dann in die andere Richtung schlagen, um anzuhalten. Diese schnelle Beschleunigung und Verzögerung hilft Insekten, sich zu lokalisieren und klar zu sehen.
„Dieses bionachahmende Flugverhalten könnte uns in Zukunft helfen, wenn wir beginnen, Kameras und Sensoren an Bord des Roboters zu installieren“, sagt Chen.
Das Hinzufügen von Sensoren und Kameras, damit die Mikroroboter im Freien fliegen können, ohne an ein komplexes Bewegungserfassungssystem angeschlossen zu sein, wird ein wichtiger Bereich zukünftiger Arbeiten sein.
Die Forscher wollen auch untersuchen, wie integrierte Sensoren den Robotern helfen könnten, Kollisionen untereinander zu vermeiden oder die Navigation zu koordinieren.
„Für die Mikrorobotik-Neighborhood hoffe ich, dass dieses Papier einen Paradigmenwechsel signalisiert, indem es zeigt, dass wir eine neue Steuerungsarchitektur entwickeln können, die gleichzeitig leistungsstark und effizient ist“, sagt Chen.
„Diese Arbeit ist besonders beeindruckend, weil diese Roboter trotz der großen Unsicherheiten, die aus relativ großen Fertigungstoleranzen bei der Kleinserienfertigung, Windböen von mehr als einem Meter professional Sekunde und sogar dem um den Roboter gewickelten Stromkabel bei wiederholten Drehungen entstehen, immer noch präzise Drehungen und schnelle Drehungen ausführen“, sagt Sarah Bergbreiter, Professorin für Maschinenbau an der Carnegie Mellon College, die nicht an dieser Arbeit beteiligt struggle.
„Obwohl die Steuerung derzeit auf einem externen Laptop und nicht an Bord des Roboters läuft, zeigen die Autoren, dass ähnliche, aber weniger präzise Steuerungsrichtlinien auch mit der eingeschränkteren Rechenleistung eines Roboters im Insektenmaßstab möglich sein könnten. Das ist spannend, weil es auf zukünftige Roboter im Insektenmaßstab hinweist, deren Agilität der ihrer biologischen Gegenstücke nahe kommt“, fügt sie hinzu.
Diese Forschung wird zum Teil von der Nationwide Science Basis (NSF), dem Workplace of Naval Analysis, dem Air Pressure Workplace of Scientific Analysis, MathWorks und dem Zakhartchenko Fellowship finanziert.