Добавить в закладки
X

Последние новости России и Мира » Новости » Статьи » Пчелы вымирают. Механическая замена готова

Пчелы вымирают. Механическая замена готова

Опубликовано: 6 августа 2020
Функционал




 

Пчелы вымирают. Механическая замена готова

 

Роберт Вуд (Robert Wood) — профессор техники и прикладных наук в Гарвардском университете и профессор Института биотехнологии Висса в том же университете. Национальный научный фонд удостоил его в 2012 г. премии Алана Уотермана (Alan T. Waterman).

 

Вэй Гу-Еон (Gu-yeon Wei) — профессор электротехники и информатики Гарвардского университета. Область его интересов включает широкий круг вопросов энергоэффективных вычислительных систем.

 

Радхика Нагпал (RadhJka Nagpal) — профессор информатики Гарвардского университета и профессор Института Висса. Ее работы о коллективном поведении охватывают области ис-кусственного интеллекта, робототехники и биологии.

 

Основные ПОЛОЖЕНИЯ:

 

  • Механические пчелы — летающие роботы размером немного больше живой пчелы. Создание столь миниатюрного робота требует решения множества механических и вычислительных задач. Имеющиеся на рынке элементы, такие как двигатели и подшипники, не годятся для подобных роботов, поэтому требуется создать специальные искусственные мышцы.
  • Кроме того, искусственные пчелы должны самостоятельно «мыслить», для чего им необходимы микродатчики, воспринимающие сигналы внешней среды, и процессоры для принятия решений о предстоящих действиях.
  • Как и живые пчелы, пчелы-роботы будут работать эффективно в составе роев из тысяч экземпляров, координируя свои действия без руководства какого-либо «вожака». Рой должен быть достаточно стойким, чтобы сохранять возможность выполнять свои задачи даже в случае выхода из строя большого числа своих членов

 

С недавнего времени колонии пчел стало косить таинственное заболевание, названное коллапсом пчелиных семей (colony collapse disorder, CCD). Пчелы обеспечивают опыление растений в большинстве коммерческих хозяйств в США, и их гибель порождает страхи за будущее сельского хозяйства страны.

 

 

Пчелы вымирают. Механическая замена готова

 

 

В 2009 г. мы трое совместно с коллегами из Гарвардского и Северо-Восточного университетов начали рассматривать возможности создания колоний пчел-роботов. Нac интересовало, смогут ли механические насекомые воспроизводить не только поведение отдельных особей природных медоносных пчел, но и уникальные особенности поведения, возникающие в результате взаимодействия тысяч особей. На сегодня мы создали несколько экспериментальных робопчел (RoboBees)—летающих механизмов, немного превосходящих по размеру живых насекомых, — и работаем над методами, способными заставить тысячи этих роботов взаимодействовать так, как выстраивают отношения пчелы в рое. На первый взгляд задача представляется почти невыполнимой. Пчелы формировались как невероятные летательные машины в течение миллионов лет эволюции. Эти крохотные существа способны летать часами, не теряя устойчивости при порывах ветра, искать цветы и уклоняться от хищников. Попробуйте-ка добиться того же от робота размером с пятицентовую монету!

 

 

Пчелы вымирают. Механическая замена готова

 

 

Теперь рассмотрим рой. В колонии пчел нет руководителя, пет центральной власти. Однако колонии, состоящие из тысяч насекомых, разумно распределяют работы, жизненно важные для поддержания благополучия всего роя. Когда рою нужно больше пыльцы, на се сбор отправляется дополнительное число пчел, а когда ему нужно обслуживание, пчелы остаются в улье. А в случае несчастья, например неожиданной смерти матки, пчелы быстро приспосабливаются к изменившимся условиям. Как могут такие большие колонии принимать столь сложные решения, не создавая хоти бы временного хаоса из-за нарушения взаимосвязей, если нет «управляющего лица»?


Рой роботов может делать гораздо больше, чем просто опылять цветы (хотя сельское хозяйство — одна из потенциальных областей применения). Масса миниатюрных, юрких, простых и недорогих роботов может выполнять многие виды работ более эффективно, чем немногочисленные роботы с более широкими функциональными возможностями. Возьмем, например, спасательные работы, в зоне стихийного бедствия спасатель сможет выпустить из коробки, весящей менее килограмма. 1 тыс. робопчел для поиска источников тепла. звуков или выдыхаемого углекислого газа. т.е. признаков присутствия выживших людей. Бели хотя бы три робота выполнят свою задачу, это будет успехом всего роя. В отношении существующих сегодня роботов-спасателей стоимостью по $100 тыс. этого сказать нельзя.

 

 

Пчелы вымирают. Механическая замена готова

 

 

Однако на пути создания роботов-пчел лежит огромное количество технических трудностей. Главная — то, что их размер не должен превышать нескольких сантиметров, а масса — 0.5 г. т.е. быть примерно в 100 раз меньше массы самого легкого из существующих сейчас летающих роботов. В этом крохотном теле нужно разместить все элементы летательной системы пчелы: электронные мозг, органы зрения и систему управления, задающую взаимодействие робопчелы с другими членами ее роя. Недавние успехи материаловедения, технологии датчиков и архитектуры вычислительных систем позволяют достичь этих целей.

 

Тело и полет

 

Наиболее очевидной трудностью при создании миниатюрного летающего робота становится выбор способа осуществления полета. К сожалению, от устойчивых успехов в области миниатюризации роботов за последние годы проку мало, поскольку малые размеры робота меняют природу действующих сил: поверхностные силы. в частности трение, начинают играть более важную роль, чем объемные, такие как гравитация и силы инерции. Проблема уменьшения размеров исключает возможность применения большинства стандартных механических решений, включая подшипники, зубчатые передачи и электродвигатели. — элементы, широко используемые в более крупных роторах, но неэффективные для робопчел.


Вместо вращающихся электродвигателей и зубчатых передач мы спроектировали механизм, очень близкий по принципу действия к схеме полета насекомых: машущие крылья, приводимые в движение искусственными мышцами. В нашей системе для приведения робопчелы в движение и управления ее полетом используются разные мышцы. Более крупные обеспечивают колебательное движение механизма крыльев и грудного отдела, вызывая взмахи крыльев, а меньшие управляют тонкими движениями крыльев, создавая вращающий момент для управления полетом и маневрирования. Оба эти механизма воздействуют на шарниры (суставы), крепящие крылья к телу робота. Искусственные мышцы изготавливаются из пьезоэлектрического материала, который сокращается при создании в нем поперечного электрического поля. К числу недостатков такого материала относятся необходимость использования больших напряжений и хрупкость, однако это тот случай, когда при уменьшении размеров физика играет на нашей стороне. Чем меньше приводные устройства, тем быстрее они стремятся двигаться. А поскольку работа, затрачиваемая на каждый взмах (в расчете на единицу массы), изменяется очень мало, то чем больше частота взмахов, тем большей получается мощность. Мощность, обеспечиваемая нашими искусственными мышцами, сравнима с вырабатываемой мышцами насекомых примерно такого же размера. Последние несколько лет мы экспериментировали с десятками различных конфигураций мышц и шарниров. В частности, нас интересовало, насколько простым будет их изготовление: ведь для создания роев из тысяч пчел потребуется массовое производство.


Оптимальные конструкции, к которым мы пришли сегодня, — это трехслойные сэндвичи с твердыми внешними слоями и тонким внутренним слоем из гибкого полимера. Суставы мы создаем, вырезая участки внешних слоев, так что в месте вырезов остается только гибкий внутренний слой.

В разработке механической части робота размером с пчелу мы достигли больших успехов, но лучший способ обеспечения ее энергией мы еще только ищем. Чтобы добиться требуемой дли полета мощности при таких малых размерах робота, нужно отвести для источника питания (т.е. аккумуляторной батареи, хотя мы рассматриваем и воз-можность использования твердотельных топливных микроэлементов) и для приводного механизма крыльев достаточно большую часть массы робота. Но здесь мы сталкиваемся со своего рода заколдованным кругом: большой источник питания позволяет запасти больше энергии, но он будет тяжелее, и для создания достаточной подъемной силы потребуется большая мощность, а значит понадобится еще больший источник питания.


Хотя мы пока не сумели добиться того, чтобы робопчела летала, питаясь от собственного источника, мы убедились, что 100-миллиграммовая пчела способна создать подъемную силу, достаточную для взлета (будучи на привязи к внешнему источнику питания). При этом робопчела была способна стабилизироваться с помощью сочетания актив-ных и пассивных механизмов. При ДОСТИГНУТОМ на текущий момент уровне плотности запасенной энергии в батареях и эффективности всех механизмов тела пчелы продолжительность ее полета мы оцениваем максимум в несколько десятков секунд. Для се увеличения мы работаем над минимизацией массы и повышением эффективности всех элементов тела пчелы.

 

Мозг и управление движением

 

Мы были вынуждены проводить полеты «на привязи», но не только из-за необходимости питания робота от внешнего источника, а из-за нерешенности еще одной проблемы. В свободном полете робопчеле нужно непрерывно оценивать обстановку, выбирать оптимальный образ действий и управлять механизмами полета. При лабораторных испытаниях в качестве временной меры использовалась внешняя электроника, но рабочей робопчеле потребуется собственный мозг.


На высшем уровне этот мозг должен будет отвечать не только за управление отдельным роботом, но и за взаимодействие с другими робопчелами роя. Мы планируем построить мозг в виде системы с несколькими уровнями: датчиками для оценки параметров условий полета, электронной нервной системой для выполнения основных функций управления и программируемой «корой головного мозга» для принятия решений высшего уровня. В качестве первого этапа мы ищем подсистему обеспечения автономного полета. Она должна иметь жесткий контур управления, в состав которого будут входить датчики, процессоры обработки их сигналов и механизмы управления движениями «частей тела».


Чтобы понять, какие нужны датчики и как построить схемы мозга, мы вновь обратились к природе. Чтобы пробить себе дорогу в жизни, мухи (и другие насекомые) используют две многофункциональные системы. Проприоцепторы дают в полете сведения о состоянии внутренних органов, например о частоте взмахов крыльев (или степени разрядки батареи), а экстерорецепторы — информацию о внешнем мире.


Современные технологии предлагают систему GPS. акселерометры и многоосные гироскопы, но для робопчелы подобные системы не годятся: они либо слишком тяжелы, либо потребляют слишком большую мощность (либо обладают обоими этими недостатками). Поэтому мы исследуем электронную систему зрения, подобную той. что имеют живые пчелы, — анализирующую «оптический поток», т.е. воспринимающую видимое движение объектов в поле зрения датчика изображения.

 

Для пассажира, который смотрит в окно автомобиля, движение близких предметов кажется быстрым, а движение далеких — более медленным. Система зрения, использующая эту информацию, может создавать детальное трехмерное представление окружающей обстановки, даже имея простой миниатюрный датчик изображения.


Однако мозг робопчелы должен обладать достаточными возможностями для обработки потока данных отдатчиков изображений и выбора правильных решений для управления органами движения. Но и здесь самые современные серийные компоненты не годятся. Поэтому мы рассматриваем новый класс вычислительной архитектуры, сочетающий в себе вычислительные возможности общего типа и специальные схемы, называемые аппаратными акселерометрами. В отличие от применяемых в обычных домашних компьютерах универсальных процессоров, аппа-ратные акселерометры — это точно настроенные схемы, выполняющие единственную функцию, но зато делающие это очень хорошо. Мы используем аппаратные акселераторы для быстрого выполнения в реальном времени вычислений, требуемых контуром управления для обеспечения устойчивого полета, при жестком ограничении по-требляемой мощности. Главной трудностью был выбор оптимального компромисса. В частности, мы хотели бы использовать видеокамеру высокого разрешения. Однако большое число пикселей означает больший размер датчика изображения и требует большей вычислительной мощности для обработки получаемых изображений. Где золотая середина?


Чтобы ответить на эти вопросы, мы разработали специальную испытательную камеру. Мы закрепили тело робопчелы на неподвижном многоосном датчике сил и вращающих моментов и заставили махать крыльями, пытаясь взлететь. На стены испытательной камеры были спроецированы изображения обстановки, в которой механическое насекомое должно было бы летать. Это позволило мам исследовать совместную работу системы зрения, мозга и тела пчелы для управления полетом в реальном мире. Разумеется, управление полетом — всего лишь начало. Параллельно мы исследуем другие типы датчиков, которые должны позволить робопчеле выполнять конкретные задачи, например поиск человека в завале, возникшем в результате землетрясения.

Возможностей прямого взаимного общения для сегодняшних робопчел мы. к сожалению, пока не предвидим; беспроводная связь потребовала бы слишком большой мощности. Однако это не значит, что пчелы будут действовать несогласованно.

 

Колония и обмен информацией

 

Отдельная робоичела слишком мала но сравнению с миром, для действий в котором она предназначена: ее возможности невелики, а вес и запас энергии резко ограничивают выбор датчиков и средств связи. Поэтому, кроме исследований тела и мозга робопчелы. мы должны понять, как сформировать колонию. Как и реальная медоносная пчела, робопчела мало что может сделать в одиночку. А рой? Групповое поведение позволит механическим пчелам обследовать большие площади, характеризовать их с помощью данных ряда простых наблюдений, осуществлять эффективное разделение труда и преуспевать даже при потере отдельных особей. Рои миниатюрных, проворных и потенциально одноразовых — робопчел могут осуществлять, например, опыление цветов, поиск людей при стихийных бедствиях и множество других операций, неосуществимых с помощью одиночных роботов.

С начала 1990-х гг. специалисты по информатике, работающие в области «роевого интеллекта», прояснили множество эффективных алгоритмов координации, используемых общественными насекомыми, — от стратегий координированного поиска до разумного разделения труда. Но даже располагая этими алгоритмами, управлять роем роботов так же, как единичным роботом, невозможно. В частности, методы программирования и задания логики поведения на уровне отдельного робота (становятся непригодными для тысяч роботов. Это все равно что просить рядового программиста сесть и написать команды для каждой единицы памяти компьютера. Нам нужен абстрактный метод программирования высокого уровня с точно таким же принципом действия, как у компиляторов, переводящих понятные человеку команды в последовательности единиц и нулей, управляющих отдельными транзисторами микропроцессора, т.е. метод, перекодирующий общие программы для роя в алгоритмы поведения отдельных роботов. Нам нужен язык программирования для колоний.


Что такое правильный язык, собирающий данные о том, что делает колония, и что мы надеемся делать с помощью колоний робопчел? Простого ответа пока не существует, но для начала мы разработали два абстрактных языка. На языке Karma можно задавать структурную схему задач, которые должна выполнять колония. Эта схема содержит связи, представляющие условия запуска выполнения новых задач. В системе Karma информация, поступающая от отдельных роботов, используется для выделения ресурсов под задачи подобно тому, как это происходит в рос живых пчел.


При другом подходе, названном OptRAD (OPTimizing Reaclion-Advection-Diffusion, т.е. «оптимизация реакций, переноса и диффузии»), колония летающих роботов рассматривается как газ. диффундирующий в окружающую среду. Для того чтобы определить, нужно ли ей выполнять задачу при данной обстановке, каждая отдельная робопчела использует вероятностный алгоритм. Рассмотрение колонии как газа позволяет системе OptRAD определять ожидаемые результаты ее действий на высоком уровне и корректировать ее поведение применительно к новым обстоятельствам.


Много усилий мы приложили для того, чтобы понять, как строить большие колонии — не из десятков или сотен, а из тысяч автономных роботов — и как управлять колониями, число роботов в которых на порядки превосходит количество управляющих ими людей-операторов. В случае тысяч роботов управление ими на уровне отдельных единиц становится невозможным. Вообразите, что каждый робот имеет переключатель и что каждое его переключение занимает пять секунд. Тогда для переключения 1 тыс. роботов потребуется около полутора часов. Подобные ограничения применимы ко всему — от стоимости до техобслуживания: каждый робот должен быть дешевым, простым в изготовлении и доступным в эксплуатации на коллективном уровне. В идеальном случае каждая операция должна быть масштабируемой, т.е. занимать фиксированное время, которое не должно увеличиваться с увеличением размера коллектива (в крайнем случае— увеличиваться очень медленно).


Эти трудности побудили нас создать систему Kilobot— группу из сотен роботов размерами с 25-центовую монету, движущихся О помощью вибрации и общающихся с соседними роботами. Мы могли использовать такую группу для оценки эффективности наших языков программирования и математических моделей возникающего поведения. Ведь без работы с реальными роботами мы едва ли смогли бы понять поведение физических систем.


Совокупность робопчел можно будет использовать для испытания многих видов группового поведения, которых мы хотели бы добиться от колоний роботов.

Например, мы можем задать поиск неких объектов в окружающей среде, чтобы, когда какой-то из роботов обнаружит такой объект, он сообщил о его местонахождении всей группе. Конструкцию робота системы Kilobot мы сделали открытой для групп, желающих построить собственные роботы. Можно также приобрести «полуфабрикаты» роботов у компании К-Теаm. Мы надеемся, что подобные стандартизированные полуфабрикаты помогут выработать новые идеи и дадут толчок коллективным достижениям в науке, на которые не способны отдельные группы, — ведь и мы рассчитываем на коллективные возможности, чтобы стать чем-то большим, чем просто сумма частей.

 

Будущее

 

Хотя мы достигли значительных успехов, предстоит еще многое сделать. Мы ожидаем, что в ближайшие годы сможем заставить робопчел летать в строго контролируемых лабораторных условиях. Через пять-десять лет после этого мы надеемся увидеть их широкое применение.


В 1989 г. известный специалист по роботам Родни Брукс (Rodney Brooks) написал статью «Быстрые, дешевые и неуправляемые: нашествие роботов на Солнечную систему — (Fast. Cheap and Out of Control: A Robot Invasion of the Solar System) о преимуществах малых роботов для исследования космоса.

 

Bee названии, разумеется, обыгрывается старая поговорка инженеров, что к потребительским продуктам обычно применимы две из трех следующих характеристик: быстрый, дешевый, надежный, но не все три сразу. Для большинства людей отсутствие одной из них не имеет существенного значения.


Брукс оказался пророком, предсказав интерпретацию этой формулы с точки зрения робототехники. Если вы можете сделать очень много простых устройств, эффективно работающих совместно. кого будет заботить, что некоторые из них порой выходят из строя? Единственный способ обеспечения успеха роботов-исследователей состоит в том, чтобы позволить им порой спускаться с небес на Землю.


5


Источник | Адрес этой страницы:



Расскажи в социальных сетях:


1
Нравится
1
Комментариев: (1), Опубликовал: Редакция, Просмотров: 911
Какие эмоции у вас вызвала публикация? (УКАЖИТЕ НЕ БОЛЕЕ ДВУХ ВАРИАНТОВ)
Возмущение Грусть Надежда Одобрение Отчаяние Радость Смех Страх Стыд Удивление Удовлетворение

Вы читали Пчелы вымирают. Механическая замена готова

Предлагаем также ознакомиться с похожими материалами:
Самые читаемые материалы
Самые обсуждаемые материалы
Свернуть блок
Свернуть рекламу

Все новости | Новость Пчелы вымирают. Механическая замена готова была опубликована в Новости » Статьи 6 августа 2020! Читайте свежие Русские Новости Славян на Мидгард.Инфо !
Свернуть блок
Свернуть комментарии



  • Вконтакте
  • Facebook

   TTT написал(а):  
0

Окуеть,дожили…

То вот говорили и говорят"Из-за G 5 пчелы вымрут"

А"они"в ответ"А зачем вам настоящие пчелы?Вот вам пчелы-роботы и перестаньте ныть по пустякам"
Добавлено: 6 августа 2020 11:35 [Ссылка на ваш комментарий] [Пожаловаться]

Информация

Важная информация для новых (не зарегистрированных) посетителей

Если вы впервые на сайте то вам необходимо:


Если ранее вы были зарегистрированы в социальных сервисах то вам необходимо:


Если вы зарегистрированы на сайте то: