Bước tiến lớn đối với máy bay không người lái tự hành nhỏ bé

Các nhà khoa học đã phát triển một lý thuyết có thể giải thích cách côn trùng bay xác định hướng trọng lực mà không cần sử dụng gia tốc kế. Nó cũng tạo nên một bước tiến quan trọng trong việc tạo ra các máy bay không người lái tự động, nhỏ bé.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra một phương pháp mới để máy bay không người lái và côn trùng ước tính hướng trọng lực. Trong khi máy bay không người lái thường sử dụng gia tốc kế, cách thức mà côn trùng bay làm được điều này cho đến nay vẫn bị che đậy trong bí ẩn, vì chúng không có cảm giác cụ thể về gia tốc. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature, các nhà khoa học từ TU Delft và Aix Marseille Université / CNRS ở Pháp đã chỉ ra rằng máy bay không người lái có thể ước tính hướng trọng lực bằng cách kết hợp cảm biến chuyển động trực quan với một mô hình về cách chúng di chuyển. Nghiên cứu là một ví dụ tuyệt vời về sức mạnh tổng hợp giữa công nghệ và sinh học.

Một mặt, cách tiếp cận mới là một bước quan trọng cho việc tạo ra các máy bay không người lái tự trị có kích thước bằng côn trùng, vì nó yêu cầu ít cảm biến hơn. Mặt khác, nó tạo thành một giả thuyết về cách côn trùng kiểm soát thái độ của chúng, vì lý thuyết này tạo thành một lời giải thích ngắn gọn về nhiều hiện tượng quan sát được trong sinh học.

Tầm quan trọng của việc tìm hướng trọng lực

Chuyến bay thành công đòi hỏi phải biết hướng của trọng lực. Là động vật sống trên mặt đất, con người chúng ta thường không gặp khó khăn khi xác định đường nào đi xuống. Tuy nhiên, điều này trở nên khó khăn hơn khi đi máy bay. Thật vậy, hành khách trên máy bay thường không nhận biết được máy bay đang hơi nghiêng sang một bên trong không khí để tạo thành một vòng tròn rộng. Khi con người bắt đầu bay lên bầu trời, các phi công hoàn toàn dựa vào việc phát hiện trực quan đường chân trời để xác định “thái độ” của máy bay, tức là hướng cơ thể của nó đối với trọng lực. Tuy nhiên, khi bay qua những đám mây, đường chân trời không còn nhìn thấy nữa, điều này có thể dẫn đến ấn tượng ngày càng sai về những gì đang lên và xuống – với những hậu quả tai hại có thể xảy ra.

Ngoài ra máy bay không người lái và côn trùng bay cần phải kiểm soát thái độ của chúng. Máy bay không người lái thường sử dụng gia tốc kế để xác định hướng trọng lực. Tuy nhiên, ở côn trùng bay, không có cơ quan cảm nhận nào để đo gia tốc được tìm thấy. Do đó, đối với côn trùng, hiện vẫn còn là một bí ẩn về cách chúng ước lượng thái độ, và một số thậm chí còn đặt câu hỏi liệu chúng có ước lượng được thái độ hay không.

Luồng quang học đủ để tìm kiếm thái độ

Mặc dù không biết côn trùng bay ước tính và kiểm soát thái độ của chúng như thế nào, nhưng ai cũng biết rằng chúng quan sát trực quan chuyển động bằng “luồng quang học”. Luồng quang học ghi lại chuyển động tương đối giữa một người quan sát và môi trường của nó. Ví dụ, khi ngồi trong xe lửa, những cái cây ở gần dường như chuyển động rất nhanh (có lưu lượng quang lớn), trong khi những ngọn núi ở xa dường như di chuyển rất chậm (có lưu lượng quang nhỏ).

“Bản thân luồng quang học không mang thông tin về thái độ. Tuy nhiên, chúng tôi phát hiện ra rằng việc kết hợp luồng quang học với một mô hình chuyển động cho phép lấy lại hướng trọng lực. ”, Guido de Croon, giáo sư đầy đủ về phương tiện không khí siêu nhỏ lấy cảm hứng từ sinh học tại TU Delft cho biết,“ Có một mô hình chuyển động có nghĩa là một robot hoặc động vật có thể dự đoán nó sẽ di chuyển như thế nào khi thực hiện các hành động. Ví dụ, máy bay không người lái có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra khi chúng quay hai cánh quạt bên phải nhanh hơn cánh quạt bên trái. Vì thái độ của máy bay không người lái xác định theo hướng nào nó tăng tốc và hướng này có thể được xác định bởi những thay đổi trong luồng quang học, sự kết hợp này cho phép máy bay không người lái xác định thái độ của nó ”.

Phân tích lý thuyết trong bài báo cho thấy việc tìm hướng trọng lực với luồng quang hầu như hoạt động trong bất kỳ điều kiện nào, ngoại trừ những trường hợp cụ thể như khi người quan sát hoàn toàn đứng yên. Guido de Croon cho biết: “Trong khi các kỹ sư nhận thấy một vấn đề về khả năng quan sát như vậy là không thể chấp nhận được, chúng tôi giả thuyết rằng thiên nhiên đã chấp nhận nó một cách đơn giản”. “Trong bài báo, chúng tôi đưa ra một bằng chứng lý thuyết rằng bất chấp vấn đề này, một bộ điều khiển thái độ sẽ vẫn hoạt động khi di chuột với chi phí dao động nhẹ – gợi nhớ đến hành vi bay thất thường hơn của côn trùng bay.”

Hàm ý cho người máy

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận tính hợp lệ của lý thuyết này với việc triển khai rô bốt, thể hiện sự hứa hẹn của nó đối với lĩnh vực chế tạo rô bốt. De Croon: “Máy bay không người lái có cánh nhỏ có thể hữu ích cho các nhiệm vụ như tìm kiếm và cứu hộ hoặc thụ phấn. Thiết kế máy bay không người lái như vậy có nghĩa là đối phó với một thách thức lớn mà thiên nhiên cũng phải đối mặt; làm thế nào để đạt được một hệ thống hoàn toàn tự trị với những hạn chế về trọng tải. Điều này khiến ngay cả những gia tốc kế nhỏ cũng trở thành gánh nặng đáng kể. Lý thuyết được đề xuất của chúng tôi sẽ góp phần vào việc thiết kế những chiếc máy bay không người lái nhỏ bé bằng cách cho phép một bộ cảm biến nhỏ hơn ”.

Những hiểu biết về sinh học

Lý thuyết được đề xuất có tiềm năng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng sinh học khác nhau. Franck Ruffier, nhà robot sinh học và giám đốc nghiên cứu tại Aixe Marseille Université / CNRS giải thích: “Người ta biết rằng luồng quang đóng một vai trò trong việc kiểm soát thái độ, nhưng cho đến nay cơ chế chính xác cho điều này vẫn chưa rõ ràng. giải thích cách côn trùng bay thành công trong việc ước lượng và kiểm soát thái độ của chúng ngay cả trong môi trường khó khăn, lộn xộn, nơi không thể nhìn thấy đường chân trời. Nó cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng khác, ví dụ, tại sao châu chấu bay kém hơn khi mắt trên đỉnh đầu của chúng bị che khuất ”.

“Chúng tôi hy vọng rằng các thí nghiệm sinh học mới, được thiết kế đặc biệt để kiểm tra lý thuyết của chúng tôi sẽ cần thiết để xác minh việc sử dụng cơ chế được đề xuất ở côn trùng”, Franck Ruffier cho biết thêm.

Bấm vào đây để xuất bản ban đầu trên Nature. Bài báo khoa học cho thấy sức mạnh tổng hợp giữa robot và sinh học có thể dẫn đến những tiến bộ công nghệ và con đường mới cho nghiên cứu sinh học như thế nào.

Bài đăng Bước tiến lớn đối với máy bay không người lái tự hành nhỏ xíu xuất hiện đầu tiên trên RoboHouse.

tags: lấy cảm hứng từ sinh học, Bay