Cosa può volare come un uccello e librarsi come un insetto?

I tuoi amichevoli colibrì di quartiere. Se i droni avessero questa combinazione, sarebbero in grado di manovrare meglio attraverso edifici crollati e altri spazi disordinati per trovare vittime intrappolate.

I ricercatori della Purdue University hanno progettato robot volanti che si comportano come colibrì, addestrato da algoritmi di apprendimento automatico basati su varie tecniche che l'uccello usa naturalmente ogni giorno.

Ciò significa che dopo aver appreso da una simulazione, il robot "sa" muoversi da solo come farebbe un colibrì, come discernere quando eseguire una manovra di fuga.

Intelligenza artificiale, combinato con ali svolazzanti flessibili, consente inoltre al robot di apprendere nuovi trucchi. Anche se il robot non può ancora vedere, Per esempio, rileva toccando le superfici. Ogni tocco altera una corrente elettrica, che i ricercatori hanno capito di poter monitorare.

"Il robot può essenzialmente creare una mappa senza vedere l'ambiente circostante. Ciò potrebbe essere utile in una situazione in cui il robot potrebbe cercare vittime in un luogo buio e significa aggiungere un sensore in meno quando diamo al robot la possibilità di vedere, " ha detto Xinyan Deng, professore associato di ingegneria meccanica alla Purdue.

I ricercatori presenteranno il loro lavoro il 20 maggio alla IEEE International Conference on Robotics and Automation 2019 a Montreal.

I droni non possono essere resi infinitamente più piccoli, a causa del modo in cui funziona l'aerodinamica convenzionale. Non sarebbero in grado di generare abbastanza portanza per sostenere il loro peso.

Ma i colibrì non usano l'aerodinamica convenzionale e le loro ali sono resistenti. "La fisica è semplicemente diversa; l'aerodinamica è intrinsecamente instabile, con angoli di attacco elevati e portanza elevata. Questo rende possibile per piccoli, animali volanti di esistere, e anche possibile per noi ridimensionare i robot ad ala battente, " ha detto Deng.

I ricercatori hanno cercato per anni di decodificare il volo dei colibrì in modo che i robot possano volare dove gli aerei più grandi non possono. Nel 2011, la società AeroVironment, commissionato da DARPA, un'agenzia all'interno del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, costruito un colibrì robotico che era più pesante di uno reale ma non così veloce, con comandi di volo simili a quelli di un elicottero e manovrabilità limitata. Richiedeva che un essere umano fosse sempre dietro un telecomando.

Il gruppo di Deng e i suoi collaboratori hanno studiato i colibrì stessi per più estati nel Montana. Hanno documentato le manovre chiave dei colibrì, come fare una rapida virata di 180 gradi, e li ha tradotti in algoritmi informatici da cui il robot potrebbe apprendere quando collegato a una simulazione.

Ulteriori studi sulla fisica di insetti e colibrì hanno permesso ai ricercatori di Purdue di costruire robot più piccoli dei colibrì, e anche piccoli come insetti, senza compromettere il modo in cui volano. Più piccola è la dimensione, maggiore è la frequenza di battito delle ali, e più efficientemente volano, dice Deng.

I robot hanno corpi stampati in 3D, ali in fibra di carbonio e membrane tagliate al laser. I ricercatori hanno costruito un robot colibrì del peso di 12 grammi, il peso del Magnificent Hummingbird medio adulto, e un altro robot delle dimensioni di un insetto del peso di 1 grammo. Il robot colibrì può sollevare più del suo stesso peso, fino a 27 grammi.

Progettare i loro robot con una maggiore portanza offre ai ricercatori più spazio di manovra per aggiungere eventualmente una batteria e una tecnologia di rilevamento, come una fotocamera o un GPS. Attualmente, il robot ha bisogno di essere legato a una fonte di energia mentre vola, ma non durerà ancora per molto, dicono i ricercatori.

I robot potrebbero volare in silenzio proprio come fa un vero colibrì, rendendoli più ideali per le operazioni segrete. E rimangono fermi attraverso la turbolenza, che i ricercatori hanno dimostrato testando le ali ridimensionate dinamicamente in un serbatoio dell'olio.

Il robot richiede solo due motori e può controllare ogni anta indipendentemente dall'altra, ecco come gli animali volanti eseguono manovre altamente agili in natura.

"Un vero colibrì ha più gruppi di muscoli per eseguire colpi di potenza e sterzo, ma un robot dovrebbe essere il più leggero possibile, in modo da avere le massime prestazioni con il minimo peso, " ha detto Deng.

I colibrì robotici non solo aiuterebbero nelle missioni di ricerca e salvataggio, ma consentono anche ai biologi di studiare in modo più affidabile i colibrì nel loro ambiente naturale attraverso i sensi di un robot realistico.

"Abbiamo imparato dalla biologia a costruire il robot, e ora le scoperte biologiche possono avvenire con l'aiuto extra dei robot, " ha detto Deng.

Le simulazioni della tecnologia sono disponibili open-source su https://github.com/purdue-biorobotics/flappy.

Le prime fasi del lavoro, compresi gli esperimenti sui colibrì del Montana in collaborazione con il gruppo di Bret Tobalske presso l'Università del Montana, sono stati sostenuti finanziariamente dalla National Science Foundation.