Os pesquisadores do WPI se inspiraram em pássaros e morcegos, que podem navegar em terrenos de baixa visibilidade e cheios de obstáculos. | Fonte: Instituto Politécnico de Worcester
Um pesquisador do Worcester Polytechnic Institute está se inspirando em morcegos para desenvolver pequenos robôs voadores para busca e resgate. Nitin Sanket, professor assistente de engenharia robótica no WPI, está liderando o projeto.
Imagine: uma pessoa está desaparecida. O tempo está ruim. Talvez haja neblina, fumaça ou poeira. Talvez o anoitecer esteja se aproximando. A necessidade de encontrar a pessoa não para, mas as condições podem impedir algumas aeronaves de fazer buscas. Sanket não vê isso como um problema intransponível.
“Busca e resgate baseados em helicóptero podem custar até US$ 100 mil por missão”, disse ele O Relatório do Robô. “Lidar é bom, mas consome muita energia, e você não pode esperar que a fumaça se dissipe em condições de emergência.”
Inspirada na capacidade dos morcegos de navegar em cavernas úmidas e empoeiradas, a equipe de Sanket está projetando drones aéreos que podem usar a ecolocalização. A navegação baseada na tecnologia de ultrassom pode expandir a área que pode ser pesquisada à noite, durante incêndios florestais ou sob neblina.
“Sempre fui fascinado pela forma como os voadores especialistas da natureza, como insetos e pássaros, são capazes de passar sem esforço por percursos de obstáculos difíceis enquanto caçam suas presas”, disse Sanket. “Os nossos robôs, embora muito complexos, não são páreo para estes voadores biológicos. Isto levou-me a ponderar como podemos inspirar-nos na natureza para construir melhores robôs aéreos autónomos.”
Sanket e sua equipe no WPI estão criando hardware e software para permitir que robôs aéreos voem de forma autônoma. Eles usam inteligência artificial para ensinar o robô a filtrar e interpretar sinais sonoros e aprender a navegar e evitar obstáculos.
Eles também projetaram hardware para minimizar a interferência de ruído e melhorar a confiabilidade do desempenho dos robôs.
Sanket recebe subsídio da NSF para avançar na ecolocalização
Prof. Sanket recebido uma doação de US$ 704.908 da National Science Foundation para desenvolver esses robôs aéreos. Ele está trabalhando com alunos de graduação e pós-graduação do WPI no projeto em seu laboratório no campus. O laboratório da universidade está equipado com uma área voadora onde a equipe pode testar os robôs que projetou e programou.
O projeto se concentra em permitir que robôs aéreos, menores que 100 mm (3,9 pol.) e pesando menos de 100 g (3,5 onças), naveguem sem depender da visão. Em vez disso, a equipe de Sanket desenvolverá um sistema de detecção baseado em som. No entanto, o ultrassom é uma forma complicada de detecção.
O zumbido das hélices do robô produz um ruído significativo, e o ultrassom normalmente tem dificuldade para distinguir pequenas características. A abordagem da Sanket está a enfrentar estes desafios em múltiplas frentes. Do ponto de vista do hardware, a equipe usa metamateriais para reduzir a interferência de ruído.
“Quando você tem um material normal, ele tem propriedades gerais, mas quando você muda a geometria, ele começa a se comportar de maneira diferente”, disse ele. “O design inteligente permite modular o som. Pense em plástico plano em vez de um design ondulado, que reflete menos – pense na espuma usada para abafar o som.”
“Estamos fazendo algo semelhante aos humanos colocando as orelhas em concha ou aos morcegos mudando o formato das orelhas para captar o som”, explicou Sanket. “Estamos trabalhando com fabricantes de sensores para emitir sons de baixa potência. Os morcegos podem gritar a 140 decibéis – isso é centenas de vezes menos.”
Os pesquisadores do WPI também estão explorando diferentes modos de propulsão, como o bater de asas, disse ele.
WPI desenvolve IA para ajudar a analisar sinais e coordenar drones
Quando se trata de software, a equipe aplica aprendizado profundo com base na física para filtrar e interpretar os sinais ultrassônicos. A equipe usa uma pilha de navegação de aprendizagem por reforço hierárquica que ensina aos robôs como se mover em direção aos objetivos, evitando obstáculos.
“Estamos projetando cuidadosamente a rede neural, que o projeto mecânico ajuda a diminuir”, disse Sanket. “Primeiro eu digo aos alunos: ele precisa funcionar no robô: não há nuvem nem infraestrutura. Estamos descobrindo isso à medida que avançamos.”
Através desta combinação de percepção robótica, IA bioinspirada e aprendizagem robótica, Sanket pretende construir enxames de drones de baixo custo e com eficiência energética que possam ter sucesso onde os sistemas baseados em visão não conseguem.
Ele disse que espera que os drones usem a fusão de sensores para complementar outras modalidades de sensores com ecolocalização. Eventualmente, poderia usar ultrassom para ajudar a detectar os batimentos cardíacos dos sobreviventes.
“A resolução do ultrassom é baixa em comparação com as câmeras, mas podemos voltar aos modelos biológicos e trabalhar com IMUs (unidades de medição intertial) e outros sensores”, disse Sanket. “Os morcegos co-evoluíram ambas as coisas.”
“Já evitamos obstáculos razoavelmente bem, mas queremos fazer isso mais rápido do que 2 m/s (4,4 mph), o que é lento para busca e resgate”, observou ele. “Em velocidades de rodovia em uma floresta, os sons são comprimidos, o que temos que considerar nos modelos. Estamos nos preparando para implantação no mundo real dentro de três a cinco anos.”
Outras aplicações além da busca e salvamento poderiam incluir o monitoramento em zonas de desastre e ambientes perigosos, disse ele.
Sanket disse que os princípios da navegação baseada em som podem beneficiar campos tão diversos como carros autônomos, preservação de recifes de coral e exploração de vulcões. | Fonte: Instituto Politécnico de Worcester