Per fare in modo che i droni volino da soli intorno a complicati ostacoli nell'oscurità, I ricercatori dell'Università di Cincinnati si stanno rivolgendo ai professionisti.

I pipistrelli si sono evoluti per utilizzare il suono e l'ecolocalizzazione per navigare e trovare cibo. Il loro sonar è così acuto, infatti, che i pipistrelli amanti del nettare possono "individuare" i loro fiori preferiti nell'oscurità totale usando solo il suono.

Ora i ricercatori del College of Engineering and Applied Science della UC stanno sfruttando questa superpotenza per migliorare la navigazione e l'autonomia dei droni.

I droni possono essere pilotati manualmente utilizzando la linea di vista, videocamere, satelliti di posizionamento globale e radar basati su laser chiamati LIDAR. UC da anni sviluppa droni autonomi che si basano su logica fuzzy e altre forme di intelligenza artificiale.

Ma l'ultimo progetto di droni UC aggiunge un altro livello di navigazione:il suono. Il professore di UC ed esperto di pipistrelli Dieter Vanderelst vuole dare ai droni di tutti i tipi la capacità aggiuntiva di osservare ed evitare gli ostacoli con l'ecolocalizzazione.

I ricercatori hanno affermato che ciò è particolarmente utile in situazioni in cui i sistemi LIDAR e satellitari sono meno affidabili, ad esempio in presenza di fumo o polvere negli edifici o nelle gallerie.

"Il problema è impegnativo perché all'interno di un edificio, hai ostacoli in un ambiente molto disordinato, " disse Manish Kumar, Professore associato di ingegneria aerospaziale UC. "Il veicolo aereo senza equipaggio può navigare in condizioni di fumo o polvere utilizzando il sonar".

Vanderelst è l'unico qualificato per risolvere questo problema. Si è laureato in biologia e ha studiato i pipistrelli e come si muovono nel deserto roccioso del Negev in Israele. Divide il suo tempo tra il college di ingegneria e i dipartimenti di psicologia e biologia del McMicken College of Arts and Sciences della UC.

"Ci sono centinaia di specie di pipistrelli e hanno tutti richiami molto diversi a frequenze diverse, " ha detto Vanderelst.

I pipistrelli dal naso a foglia usano le loro appendici dalla forma strana per amplificare e focalizzare il suono a una frequenza costante. Altri pipistrelli creano una sinfonia di chiacchiere, che consente loro di trovare frutti o fiori tramite il suono.

"Intuitivamente penseresti che un fiore sia facile da trovare perché è colorato e si distingue dal verde della foresta. Ma il colore non significa nulla di notte, " Ha detto Vanderelst. "La loro capacità di scansionare le foglie per trovare i fiori è incredibile o ci manca solo qualcosa che lo rende facile. Potremmo guardarlo dal punto di vista sbagliato".

Mentre la nostra visione binoculare ci offre una vista panoramica di 210 gradi, Vanderelst ha affermato che i pipistrelli hanno un campo di rilevamento molto più ristretto utilizzando un raggio sonoro che si estende a meno di 60 gradi.

"È come se stessero agitando una torcia davanti a loro per trovare una preda nell'oscurità, " ha detto Vanderelst.

I pipistrelli sono esperti in questo. Oltre a prendere cibo al volo, i pipistrelli possono trovare insetti e rane che si nascondono immobili sulle foglie.

Per capire come potrebbe tradurre le abilità dei pipistrelli in un drone informatico, Vanderelst ha iniziato nel suo laboratorio UC. Ha costruito un robot.

"Mi interessa vedere come i pipistrelli usano attivamente il sonar per girare il mondo, " ha detto Vanderelst. "Spero di convincere le persone che possiamo usare l'ecolocalizzazione su droni molto piccoli".

Vanderelst ha progettato il suo sistema di sensori prendendo spunto dalla natura. Primo, ha usato una stampante 3D per rendere le teste di piccoli pipistrelli dal naso a foglia come guida di riferimento. I microfoni del suo robot imitano la forma e il contorno delle orecchie di pipistrello, posizionati leggermente sfalsati sul telaio del robot allo stesso modo in cui le orecchie di un barbagianni sono asimmetriche sul cranio. Questo aiuta i cacciatori notturni a raggiungere la preda nella completa oscurità usando solo il suono.

Le dimensioni di uno Yorkshire terrier, il robot rosso a tre ruote ha una serie di altoparlanti e microfoni a ultrasuoni che possono emettere toni o impulsi sonori e sensori per rilevare il riflesso o l'eco. Proprio come non esistono due specie di uccelli che suonano allo stesso modo, anche i pipistrelli emettono cinguettii di frequenze e durata uniche.

I cinguettii simili a pipistrelli del robot vanno da 25 a 75 kilohertz, ma Vanderelst ha detto che 50 è il punto debole. Per catturare la capacità di ecolocalizzazione dei pipistrelli, un drone dovrà essere quasi altrettanto acrobatico.

"Un pipistrello gira prima la testa per guardare dove vuole volare e il suo corpo lo segue, " Ha detto Vanderelst. "I pipistrelli cambiano costantemente il focus di ciò che stanno guardando, quindi il mio robot deve essere in grado di guidare dove sta guardando in modo che possa fare lo stesso."

Vanderelst ha affermato che le lezioni che impara facendo in modo che un robot si navi in ​​modo indipendente in due dimensioni a terra si tradurranno in un drone che opera nello spazio tridimensionale. Immagina un drone che tende le sue "orecchie" indipendentemente l'una dall'altra per navigare con precisione in spazi ristretti come fanno i pipistrelli.

"Fare volare un drone è un'abilità altamente tecnica. L'operatore deve concentrarsi molto duramente per non schiantarsi contro nulla, " ha detto Vanderelst. "E se le telecamere del drone si guastano perché è buio o polveroso, sarebbe fantastico avere un pilota automatico che ti allontani dagli ostacoli usando l'ecolocalizzazione."

Il progetto ha catturato l'attenzione del Dipartimento per la sicurezza interna degli Stati Uniti, che è interessato ad esplorare applicazioni, Kumar di UC ha detto.

Kumar immagina un drone che può volare autonomamente in un'area sconosciuta mentre scansiona e mappa i confini dello spazio 3-D per l'uso da parte di osservatori umani distanti. Ciò sarebbe prezioso per le squadre SWAT o i soccorritori in situazioni in cui l'invio di una persona per esplorare un luogo potrebbe mettere a rischio la vita.

"Ecco dove il drone ispirato ai pipistrelli di Dieter ci aiuterà, " ha detto Kumar.