En el futuro, se podrían desplegar pequeños robots voladores para ayudar en la búsqueda de supervivientes atrapados bajo los escombros tras un devastador terremoto. Al igual que los insectos reales, estos robots podrían esfumarse a través de espacios reducidos a los que los robots más grandes no pueden salir, mientras esquivan simultáneamente obstáculos estacionarios y escombros que caen.
Hasta ahora, los microrobots aéreos sólo han podido esfumarse lentamente a lo abundante de trayectorias suaves, remotamente del revoloteo rápido y ágil de los insectos reales… hasta ahora.
Los investigadores del MIT han demostrado microrobots aéreos que pueden esfumarse con una velocidad y agilidad comparables a sus homólogos biológicos. Un equipo colaborativo diseñó un nuevo regulador basado en inteligencia sintético para el insecto robótico que le permitía seguir trayectorias de revoloteo gimnásticas, como ejecutar giros corporales continuos.
Con un esquema de control de dos partes que combina un suspensión rendimiento con eficiencia computacional, la velocidad y la apresuramiento del androide aumentaron aproximadamente un 450 por ciento y un 250 por ciento, respectivamente, en comparación con las mejores demostraciones anteriores de los investigadores.
El veloz androide fue lo suficientemente ágil como para completar 10 saltos mortales consecutivos en 11 segundos, incluso cuando las perturbaciones del singladura amenazaban con desviarlo de su curso.
Crédito: Cortesía del Laboratorio de Robótica Suave y Micro.
«Queremos poder utilizar estos robots en escenarios en los que los robots cuádruples más tradicionales tendrían problemas para esfumarse, pero en los que los insectos podrían navegar. Ahora, con nuestro situación de control bioinspirado, el rendimiento de revoloteo de nuestro androide es comparable al de los insectos en términos de velocidad, apresuramiento y ángulo de cabeceo. Este es un paso harto emocionante con destino a ese objetivo futuro», dice Kevin Chen, profesor asociado en el Unidad de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), patrón del Laboratorio de Robótica Suave y Micro interiormente del Laboratorio de Investigación de Electrónica. (RLE), y coautor principal de un papel sobre el androide.
A Chen se unen en el artículo los coautores principales Yi-Hsuan Hsiao, un estudiante diplomado de EECS MIT; Andrea Tagliabue PhD ’24; y Owen Matteson, estudiante de posgrado del Unidad de Aeronáutica y Astronáutica (AeroAstro); así como la estudiante graduada de EECS Suhan Kim; Tong Zhao MEng ’23; y el coautor principal Jonathan P. How, profesor Ford de Ingeniería en el Unidad de Aeronáutica y Astronáutica e investigador principal en el Laboratorio de Sistemas de Información y Intrepidez (LIDS). La investigación aparece hoy en Avances científicos.
Un regulador de IA
El clan de Chen lleva más de cinco abriles construyendo insectos robóticos.
Recientemente desarrollaron un lectura más duradera de su pequeño androideun dispositivo del tamaño de un microcassette que pesa menos que un clip. La nueva lectura utiliza alas batientes más grandes que permiten movimientos más ágiles. Están impulsados por un conjunto de músculos artificiales blandos que baten las alas a un ritmo extremadamente rápido.
Pero el regulador (el «cerebro» del androide que determina su posición y le dice con destino a dónde esfumarse) fue oportuno manualmente por un humano, lo que limita el rendimiento del androide.
Para que el androide volara rápida y agresivamente como un insecto verdadero, necesitaba un regulador más robusto que pudiera tener en cuenta la incertidumbre y realizar optimizaciones complejas rápidamente.
Un regulador de este tipo requeriría demasiado cálculo para implementarlo en tiempo verdadero, especialmente con la complicada aerodinámica del androide leve.
Para exceder este desafío, el clan de Chen unió fuerzas con el equipo de How y, juntos, diseñaron un esquema de control de dos pasos impulsado por IA que proporciona la solidez necesaria para maniobras complejas y rápidas, y la eficiencia computacional necesaria para el despliegue en tiempo verdadero.
«Los avances del hardware impulsaron el regulador, por lo que había más que podíamos hacer en el costado del software, pero al mismo tiempo, a medida que el regulador se desarrollaba, había más que podían hacer con el hardware. A medida que el equipo de Kevin demuestra nuevas capacidades, nosotros demostramos que podemos utilizarlas», dice How.
Para el primer paso, el equipo construyó lo que se conoce como un regulador predictivo de modelos. Este tipo de regulador potente utiliza un maniquí matemático dinámico para predecir el comportamiento del androide y planificar la serie óptima de acciones para seguir una trayectoria de forma segura.
Si correctamente es un proceso computacional intensivo, puede planificar maniobras desafiantes como saltos mortales aéreos, giros rápidos e inclinaciones agresivas del cuerpo. Este planificador de suspensión rendimiento igualmente está diseñado para considerar las limitaciones de fuerza y par que el androide podría aplicar, lo cual es esencial para evitar colisiones.
Por ejemplo, para realizar varios giros seguidos, el androide necesitaría desacelerar de tal forma que sus condiciones iniciales sean exactamente las adecuadas para retornar a realizar el libranza.
«Si aparecen pequeños errores e intentas repetir ese libranza 10 veces con esos pequeños errores, el androide simplemente se estrellará. Necesitamos tener un control de revoloteo sólido», dice How.
Utilizan este planificador versado para entrenar una “política” basada en un maniquí de formación profundo, para controlar el androide en tiempo verdadero, a través de un proceso llamado formación por imitación. Una política es el motor de toma de decisiones del androide, que le dice dónde y cómo esfumarse.
Básicamente, el proceso de formación por imitación comprime el potente regulador en un maniquí de IA computacionalmente valioso que puede ejecutarse muy rápido.
La esencia era tener una forma inteligente de crear datos de entrenamiento suficientes, que le enseñarían a la política todo lo que necesita memorizar para maniobras agresivas.
«El método de entrenamiento robusto es el ingrediente secreto de esta técnica», explica How.
La política impulsada por la IA toma las posiciones de los robots como entradas y expectativas de comandos de control en tiempo verdadero, como la fuerza de empuje y los pares.
Rendimiento similar al de un insecto
En sus experimentos, este enfoque de dos pasos permitió al androide con escalera de insecto esfumarse un 447 por ciento más rápido y exhibir un aumento del 255 por ciento en la apresuramiento. El androide pudo completar 10 saltos mortales en 11 segundos, y el pequeño androide nunca se desvió más de 4 o 5 centímetros de su trayectoria planificada.
«Este trabajo demuestra que los microrobots blandos y microrobots, tradicionalmente limitados en velocidad, ahora pueden explotar algoritmos de control avanzados para obtener una agilidad cercana a la de los insectos naturales y los robots más grandes, abriendo nuevas oportunidades para la transporte multimodal», dice Hsiao.
Los investigadores igualmente pudieron demostrar el movimiento sacádico, que ocurre cuando los insectos se inclinan de forma muy agresiva, vuelan rápidamente a una determinada posición y luego se inclinan en la otra dirección para detenerse. Esta rápida apresuramiento y desaceleración ayuda a los insectos a localizarse y ver con claridad.
«Este comportamiento de revoloteo que imita biológicamente podría ayudarnos en el futuro cuando comencemos a colocar cámaras y sensores a costado del androide», dice Chen.
Anexar sensores y cámaras para que los microrobots puedan esfumarse al gracia huido, sin estar conectados a un enredado sistema de captura de movimiento, será un campo de acción importante de trabajo futuro.
Los investigadores igualmente quieren estudiar cómo los sensores a costado podrían ayudar a los robots a evitar colisiones entre sí o coordinar la navegación.
«Para la comunidad de la microrobótica, espero que este artículo indique un cambio de modelo al mostrar que podemos desarrollar una nueva inmueble de control que sea de suspensión rendimiento y valioso al mismo tiempo», afirma Chen.
«Este trabajo es especialmente impresionante porque estos robots aún realizan giros precisos y giros rápidos a pesar de las grandes incertidumbres que surgen de tolerancias de fabricación relativamente grandes en la fabricación a pequeña escalera, ráfagas de singladura de más de 1 medida por segundo e incluso su correa de viandas que envuelve al androide mientras realiza giros repetidos», dice Sarah Bergbreiter, profesora de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, que no participó en este trabajo.
«Aunque el regulador actualmente se ejecuta en una computadora externa en oficio de estar integrada en el androide, los autores demuestran que políticas de control similares, pero menos precisas, pueden ser factibles incluso con la computación más limitada acondicionado en un androide a escalera de insecto. Esto es emocionante porque apunta con destino a futuros robots a escalera de insecto con una agilidad cercana a la de sus homólogos biológicos», añade.
Esta investigación está financiada, en parte, por la Fundación Franquista de Ciencias (NSF), la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, MathWorks y la Banda Zakhartchenko.