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Robot che vedono con gli occhi degli insetti

Per la prima volta un robot grande quanto un'ape riesce a volare usando solo i feedback di un sensore di bordo.
24 giugno 2014, 10:10am

Immagine: Sawyer Fuller/Harvard

Per la prima volta un team di ricercatori ha costruito un robot della grandezza di un'ape che può volare usando soltanto i feedback provenienti da un sensore di bordo. È un grande passo nello sviluppo di piccoli robot volanti autonomi, e, giustamente, il sensore di bordo è ispirato ai sensori di luminosità degli insetti volanti.

“Questo è il primo passo verso la realizzazione di veri robot della grandezza di un'ape autonomi,” ha detto Sawyer Fuller, ingegnere di robotica della Harvard University e principale autore di un nuovo paper che descrive il progetto. “Ero veramente esaltato, ci sono voluti mesi prima che riuscissi a finire il lavoro,” ha detto. Fuller e i suoi colleghi, hanno pubblicato i risultati nel Journal of the Royal Society Interface.

“Questa è la prima volta che un sensore di bordo ispirato alla biologia è stato applicato con successo per stabilizzare un veicolo in miniatura delle dimensioni di una mosca in grado di sbattere le ali,” ha detto Mandyam Srinivasan, professore di neuroscienze della percezione visiva e e sensoriale e ingegneria elettrica alla University of Queensland in Australia, non coinvolto nello studio.

Il progetto ha avuto inizio circa 15 anni fa, sotto la guida di Robert J. Wood, professore di ingegneria e scienze applicate ad Harvard.

Il minuscolo robot si stabilizza in volo grazie a un sensore posizionato sopra di esso. Immagine: Journal of the Royal Society Interface

“Abbiamo avuto questa idea folle di far volare autonomamente un robot,” ha detto Fuller. Una delle sfide da affrontare è che più i robot volanti diventano piccoli, più diventano sensibili ai minimi cambiamenti dei flussi d'aria. Di conseguenza, per volare in modo stabile, hanno bisogno di continui feedback per eseguire manovre correttive.”

“È come un aereo da caccia in miniatura,” ha detto Fuller. “I caccia devono continuamente fare correzioni o rischiano di cadere, e lo stesso accade per questi mezzi,” ha detto.

Nonostante i ricercatori abbiano realizzato qualche anno fa un robot volante della dimensione di un'ape, “quel veicolo volava praticamente alla cieca,” ha detto Fuller. “Doveva affidarsi a videocamere esterne per tenere traccia della propria posizione.”

Per l'uso nel mondo reale, i ricercatori hanno dovuto capire come sviluppare un sensore di bordo che potesse fornire un feedback simile. Allora è qui che il team di ricercatori ha deciso di prendere l'ispirazione dagli insetti volanti.

Dell'altezza di circa un centimetro e del peso di soli 106 mg, i robot volano sbattendo le due sottilissime ali 120 volte al secondo. Le ali sono azionate indipendentemente da piccoli pezzi di ceramica che, sottoposti a un campo elettrico, si espandono o si contraggono, e i robot sono alimentati e controllati da un leggerissimo cavo tether.

Il progetto di un ocello è costituito da quattro fototransistor saldati a un circuito costruito su misura che viene piegato nella forma di una piramide. Immagine: Journal of the Royal Society interface

Con un mezzo così piccolo, molti sensori di bordo che funzionano su veicoli volanti più grandi, come giroscopi, accelerometri, GPS, o telemetri laser sono o troppo pesanti, o consumano troppa energia o non funzionano bene negli spazi chiusi. I ricercatori hanno invece deciso di seguire lo stesso approccio degli insetti.

“Per monitorare e stabilizzare il loro orientamento in volo, gli insetti volanti usano una semplice strategia basata sulla vista,” ha detto Srinivasan.

“Oltre ai loro occhi composti, molti insetti possiedono anche tre basilari sensori di luminosità chiamati “ocelli”,” ha detto. “Monitorando e analizzando le risposte di questi sensori alla luce di un oggetto distante, come il sole, un insetto volante è in grado di misurare e stabilizzare le sue rotazioni durante il volo.”

I ricercatori hanno creato un sensore di bordo ispirato agli ocelli—una struttura piramidale collocata sopra al robot-mosca che misura la luce usando quattro fototransistor. Nei test di volo i veicoli robotici erano in grado di volare stabilmente e di rimanere dritti usando esclusivamente i feedback dal sensore di bordo.

Il sensore ispirato agli ocelli è stato usato per calcolare la velocità angolare del movimento della fonte di luce, in modo che il momento proporzionale potesse essere applicato al mezzo per stabilizzarlo.

“Questa è stata la prima dimostrazione empirica che prova che questo basta per rimanere dritti, e per evitare che il mezzo cada,” ha detto Fuller. “Questo potrebbe anche spiegare come fanno gli insetti a volare restando in equilibrio.”

La presenza di un sensore di bordo che permette al veicolo robot di volare stabilmente è un passo cruciale per la costruzione di robot volanti completamente autonomi. Fuller pianifica di collocare più sensori dotati di una risoluzione maggiore per permettere ai robot di evitare gli ostacoli e di cercare oggetti.

Questi robot volanti della dimensione di un'ape sono costituiti da materiali poco costosi e potrebbero essere prodotti su larga scala, e le piccole dimensioni permetterebbero loro di muoversi in spazi ristretti, ha detto Fuller. Potrebbero avere molte applicazioni nei rilevamenti a distanza e nelle operazioni di ricerca e di recupero, e potrebbero anche comportarsi come “roboapi” nella coltivazione agricola assistita, impollinando fiori e combattendo i parassiti, ha detto Fuller.

I ricercatori stanno lavorando contemporaneamente su molte innovazioni tecnologiche necessarie per rendere questi robot simili a mosche completamente autonomi e wireless. Per esempio, stanno lavorando per dotarli di un processore di bordo leggero, e di una piccola fonte di elettricità ad alta energia in modo che non debbano rimanere connessi con dei cavi.

Stanno lavorando anche per rendere i veicoli più veloci e più duraturi. Al momento, ci vogliono alcuni giorni per fare volare ogni robot, e ognuno di loro può volare solo per alcuni minuti prima di essere buttato. “Ci vorranno tra i cinque e i dieci anni prima di commercializzarli,” ha detto Fuller.

Nel frattempo, spera di riuscire a migliorare le capacità del robot.

“Gli insetti fanno tutte queste prestazioni avioniche di alto livello, e sono lo stesso abbastanza mobili, più di quanto possiamo per ora fare con il nostro mezzo,” ha detto Fuller. “Abbiamo ancora molto da imparare, è solo una questione di tempo prima di riuscire in questa impresa.”