Что делают в лаборатории робототехники генератор тумана, стробоскопы и муляжи летучих мышей? Нет, он не устраивает вечеринку в честь Хэллоуина. Это испытательный полигон для следующего поколения спасательных дронов. В то время как современные модели используют камеры и лазерные датчики, исследователи из Вустер политехнический институт Они разрабатывают мини-дроны, которые «видят» с помощью ультразвука. Как летучие мыши.
Они работают в полной темноте, в густом дыму, в тумане. Они стоят недорого, весят меньше фунта и могут спасти жизни там, где традиционные системы не справляются. Профессор Нитин Санкет он только что получил 705 000 долларов США от Национального научного фонда Чтобы усовершенствовать их. Хотите узнать больше? Я здесь для этого.
Когда зрение становится ограничением
Уже более десяти лет воздушная робототехника сосредоточена на системах, основанных на машинном зрении. Камеры, оптические датчики, лидары — всё это прекрасно работает при наличии света и чистого воздуха. Но когда ночью случается землетрясение, когда пожар наполняет воздух дымом, когда лавина поднимает снежную пыль, эти системы становятся бесполезными. Камеры записывают только чёрный цвет. Лазеры теряются во взвешенных частицах. Спасательные работы прекращены.
Санкет это хорошо знает:
«Когда случается землетрясение или цунами, первым делом обрываются линии электропередач. Часто это происходит ночью. Нельзя ждать до утра, чтобы искать выживших».
И он взглянул на природу (да будет она всегда благословенна) биомиметика). Есть ли в мире хоть одно существо, способное идеально ориентироваться в темноте? Ответ на этот вопрос уже миллионы лет порхает по пещерам: летучие мыши.
Мини-дрон, который слышит, а не видит
Il PeAR Bat (от названия исследовательской группы Восприятие и автономная робототехника) весит менее 100 граммов и имеет длину менее 10 сантиметров. У него нет камер. У него нет лидара. Он оснащен ультразвуковыми датчиками: дешёвыми, которые можно найти в автоматических смесителях в общественных туалетах. Он излучает высокочастотные звуковые импульсы и «слушает» эхо, отражающееся от препятствий. Звук, в отличие от света, проникает сквозь дым, туман и пыль.
Во время испытаний в лаборатории, преобразованной в камеру искусственного тумана, студент Колин Бальфур Сначала он запустил мини-дрон с включёнными фарами, затем почти в полной темноте. Результат? Идентичный. Дрон распознал стену из оргстекла и самостоятельно изменил курс, без каких-либо визуальных средств.
La акустическая технология управляет навигацией и избеганием препятствий с гораздо более высокой энергоэффективностью, чем оптические системы.
Камеры не исчезают: они продолжают быть полезными для поиска выживших после того, как вы окажетесь на месте. Но основная навигация осуществляется исключительно по звуку.
Мини-дроны, (решенная) «пятка» шума
Разработка шла не гладко. Шум винтов мешал ультразвуку, делая систему практически глухой. Решение было найдено метаматериалыКонструкции с геометрией, предназначенной для модуляции звуковых волн. Немного похоже на звукопоглощающую пену в студиях звукозаписи, но применяется к дронам. Команда разработала защитные оболочки, напечатанные на 3D-принтере, которые значительно снижают помехи.
А вот и программное обеспечение.Искусственный интеллект обучен фильтровать и интерпретировать ультразвуковые сигналы с помощью глубокое обучение Основано на физике. Иерархическая система обучения с подкреплением позволяет дронам ориентироваться на заданные цели, динамически избегая препятствий. Все вычисления происходят на борту, без необходимости использования внешней инфраструктуры.
Помимо летучих мышей, но не слишком много
Санкет первым признал ограниченность возможностей: «Летучие мыши удивительны. Мы даже близко не стоим». Летучие мыши сокращают и сжимают мышцы, чтобы улавливать только определённые эхосигналы, и могут обнаруживать объекты толщиной с человеческий волос на расстоянии нескольких метров.
PeAR Bat пока может облетать препятствия, летая со скоростью около 2 метров в секунду. Медленно для реальной спасательной операции, но это только начало.
Цель проекта — разработка роя дронов, способных работать в условиях, где традиционные системы неэффективны. Интеграция эхолокации с инерциальными измерительными блоками и другими датчиками через датчик слиянияЭти устройства могут значительно улучшить ситуационную осведомлённость и надёжность навигации. В будущих версиях также можно будет использовать ультразвук для обнаружить сердцебиение выживших, превращая дроны в еще более точные инструменты определения местоположения.
Мини-дроны — цена всей жизни
Спасательная операция с использованием вертолёта стоит до 100 000 евро. Лидар эффективен, но энергоёмок и в любом случае бесполезен в условиях задымлённости. Коммерческие дроны с 4K-камерами стоят тысячи евро и превращаются в садовый инвентарь, как только солнце садится или накатывает туман.
PeAR Bat собран из компонентов коммерческого уровня, используемых в любительском лётном деле. Он стоит всего несколько сотен евро. Команда разработчиков планирует перейти от лабораторных испытаний к полевому развертыванию в течение трех-пяти лет.
Применение выходит за рамки спасательных операций: мониторинг в зонах стихийных бедствий, осмотр опасных сред и охрана окружающей среды. Санкет предполагает, что принципы звуковой навигации могут быть полезны в самых разных областях, таких как самоходные автомобили, сохранение коралловых рифов, исследование вулканов.
Исследователь уже работает над увеличением скорости до более чем 2 метров в секунду. На скоростных трассах в лесу звуки сжимаются: это явление необходимо учитывать в моделях. Это не техническая деталь. Это разница между тем, прибудете ли вы вовремя или нет.
Полет уже начался.
США не одиноки. Норвегия производит Черный Шершень 4, беспилотник размером с ладонь, используемый западными военными. Он получил награду. Обновление Blue UAS Министерства обороны США в 2025 году по времени автономной работы и устойчивости к погодным условиям. Гарвард работает над РобоБи, микродрон, способный летать, приземляться и даже переходить из воды в воздух. ВВС США подтвердили разработку миниатюрных дронов, хотя и не предоставили публичной информации о ходе работ.
Эти мини-дроны могут произвести революцию и в гражданских секторах. Точное земледелие, осмотр инфраструктуры, мониторинг дикой природы: везде, где требуется эксплуатация в сложных условиях без риска для жизни людей.
Санкет завершает свою речь мыслью, которая кажется почти очевидной, но при этом крайне важной: «Мы не можем ждать, пока рассеется дым в чрезвычайных ситуациях». Это простое утверждение. Но оно отражает причину, по которой Национальный научный фонд в течение следующих трёх лет выделит 705 000 долларов на ультразвуковые датчики, метаматериалы, напечатанные на 3D-принтере, и нейронные сети, обученные «чувствовать» окружающий мир.
Миллионы лет эволюции научили летучих мышей летать в темноте. Теперь пришла очередь роботов усвоить тот же урок. И когда они это сделают, возможно, им удастся спасти ещё несколько жизней.
