Віджай Кумар: Роботи, які літають ... і співпрацюють

Доброго ранку. Сьогодні я розповім про автономні, летючі пляжні м'ячики. Та ні, про таких спритних повітряних роботів як оцей. Я розповім про труднощі зі створенням таких роботів і про неймовірні можливості цієї технології. Ці роботи відносяться до безпілотних літальних апаратів. Але ці літаки великі. Вони важать тисячі фунтів і, звісно ж, зовсім не маневрені. Навіть не автономні. Насправді цими літаками здебільшого керує льотний екіпаж, до якого входять кілька пілотів, оператори вимірювальної апаратури і координатори завдань.

Нас цікавить розробка ось таких роботів -- і ще два зображення -- роботів, яких можна купити готовими в магазині. Це гелікоптери з чотирма тяговими ґвинтами, які мають близько метра в масштабі і важать кілька фунтів. Ми допасовуємо до них давачі та процесори, і ці роботи можуть літати у приміщенні без системи глобального позиціювання (GPS).

У руці я тримаю саме такого робота. Його створили два студенти, Алекс і Деніел. Він важить трошки більше, ніж одна десята фунта. І має потужність 15 ват. Як бачите, робот має близько восьми дюймів у діаметрі. Зараз я швиденько поясню, як ці роботи працюють.

Отож, він має чотири тягові ґвинти. Якщо запустити ці ґвинти з однаковою швидкістю, робот зависне у повітрі. Якщо пришвидшити рух кожного ґвинта, то робот злетить угору і розженеться. Звичайно, якби робота нахилити під певним кутом до горизонталі, то він би розігнався у заданому керунку. Існує два способи нахилити робота. На цьому малюнку видно, що тяговий ґвинт номер чотири крутиться швидше, а ґвинт номер два -- повільніше. У такому випадку, у певну мить робот повертається навколо поздовжньої осі. І навпаки: якщо прискорити ґвинт номер три і сповільнити ґвинт номер один, робот повернеться навколо поперечної осі.

Врешті-решт, якщо прискорити протилежну пару ґвинтів, тоді робот повернеться навколо вертикальної осі. Бортовий процесор дивиться, які рухи потрібно виконати, поєднує ці рухи і посилає відповідні команди двигуну 600 разів за секунду. Ось так усе працює.

Такий дизайн має одну суттєву перевагу -- якщо зменшити масштаб, робот стає більш маневреним. Символ R позначає характерну довжину робота. Це половина діаметра. Якщо зменшити R, то зміняться інші фізичні параметри. Найважливіший серед них -- сила інерції або опір руху. Виявилося, що сила інерції, яка регулює кутовий рух, зростає прямо пропорційно R в п'ятому степені. Тобто, чим R менше, тим більше зменшується сила інерції. Як наслідок, кутове прискорення, позначене грецькою літерою альфа, дорівнює одиниці над R. Воно обернено пропорційне R. Чим менше кутове прискорення, тим швидше поверне гелікоптер.

На відео це добре видно. У правому нижньому куті робот перевертається на 360 градусів за менш, ніж півсекунди. Серія переворотів триває трошки довше. Бортові процесори отримують дані від давачів прискорення і бортових гіроскопів і обчислюють команди, як я вже казав, 600 разів за секунду, щоб робот залишався стійким. Ліворуч Деніел підкидає робота в повітря. Відразу видно, наскільки надійний контроль. Хоч би як ви його підкинули, робот вирівнюється і повертається до Деніела.

Навіщо потрібні такі роботи? Роботів можна використати з різною метою. Їх можна першими послати всередину будівлі, щоб перевірити, чи ніхто не вдерся у чужий простір, або виявити витік біохімічних чи газоподібних речовин. Крім цього, вони можуть допомогти під час будівництва. Ось роботи переносять бруси та колони і складають кубовидні структури. Я розповім про це детальніше. Роботи можуть переносити вантажі. Тому ці малі роботи мають одну проблему -- чисту вантажопідйомність. Тож, якщо ви хочете перенести вантаж, вам потрібно багато роботів. Недавно ми провели один експеримент -- ну не так уже й недавно -- у місті Сендай, яке пережило землетрус. Таких роботів можна посилати у зруйновані будівлі, щоб оцінити наслідки стихійного лиха, або в будівлю реактора, щоб скласти радіаційну карту.

Якщо роботи автономні, то їхня найважливіша місія -- визначити, як дістатися від пункту А до пункту Б. Клопітке завдання, бо динамічні властивості робота досить складні. По суті, роботи живуть у 12-вимірному просторі. Тоді ми вдамося до хитрощів. Візьмемо цей викривлений 12-вимірний простір і перетворимо його на чотиривимірну площину. А та чотиривимірна площина складається з X, Y, Z і кута відхилення.

Отож, робот складає так звану мінімальну траєкторію автоматичного вирівнювання. Пригадаймо собі фізику: у вас є позиція, похідна, швидкість, далі прискорення, потім поштовх і, врешті, автоматичне вирівнювання. Робот згладжує вирівнювання. Як наслідок, робот рухається плавно і ґраціозно, оминаючи перешкоди. Мінімальні траєкторії автоматичного вирівнювання на площині перетворюються назад у складний 12-вимірний простір, оскільки це необхідно роботу для контролю і виконання дій.

Зараз я покажу вам, як виглядають мінімальні траєкторії автоматичного вирівнювання. На першому відео робот рухається з пункту А до пункту Б через проміжний пункт. Очевидно, що робот здатний пройти будь-яку вигнуту траєкторію. Це кругові траєкторії. Прискорення робота дорівнює майже два G. Нагорі знаходяться підвісні камери захоплення руху, які 100 разів на секунду повідомляють роботу, де він є. Вони також повідомляють про перешкоди. Перешкоди бувають рухомі. Ось Деніел підкидає обруч, а робот вираховує розміщення обруча і визначає, як краще крізь нього пролетіти. Ми, науковці, вже навчилися стрибати крізь обручі, щоб зібрати гроші для лабораторії, а тепер передаємо ці знання роботам.

(Оплески)

А ще робот пам'ятає відрізки траєкторії, які він вивчає або на які запрограмований. Перед вами робот, який починає рухатися, набирає швидкість, потім змінює напрям і вирівнюється. Він мусить так робити, бо отвір у вікні завширшки майже як сам робот. Мені спадає на думку стрибун у воду, який стає на трамплін, стрибає з нього, щоб набрати швидкість, потім робить пірует і сальто на два з половиною оберти, а потім ґраціозно випрямляється. Робот займається практично тим самим. Він знає, як поєднати окремі відрізки траєкторії, щоби справитися із цими непростими завданнями.

Тепер поговоримо про інше. Малі роботи мають ще один недолік -- розмір. Як я вже казав, нам потрібно чимало роботів, щоб розв'язати цю проблему. Тоді постає питання: як управляти цілою групою роботів? Ми запозичили досвід у природи. Я покажу вам відео з лабораторії професора Стівена Пратта, на якому пустельні мурахи Aphaenogaster несуть один об'єкт. Це шматочок інжиру. Можна взяти будь-який предмет, помащений соком інжиру, і мурахи потягнуть його до свого гнізда. Ці мурахи не мають центрального координатора. Вони відчувають своїх сусідів. Між ними немає вираженого зв'язку. Але вони відчувають своїх сусідів і відчувають об'єкт, і тому налагодили непрямий зв'язок у групі.

Ми б хотіли, щоб наші роботи мали таку ж координацію. Ось у нас є робот, оточений сусідами -- погляньмо на робота I і робота J. Ми хочемо, щоб роботи слідкували за відстанню між ними, коли вони летять групою. Роботи повинні впевнитися, що ця відстань не перевищує допустимий рівень. Вони слідкують за цим і обчислюють контрольні сигнали 100 разів за секунду, а ті згодом перетворюються у команди для двигуна 600 разів за секунду. Знову ж таки, потрібне децентралізоване управління. Якщо у вас сила-силенна роботів, то інформацію неможливо координувати з центру достатньо швидко, щоб роботи виконали завдання. До того ж, роботи повинні керуватися місцевими даними, які вони отримали від сусіда. Врешті-решт, ми наполягаємо, щоб роботи ігнорували, хто їхні сусіди. Так звана анонімність.

А зараз я покажу вам відео, на якому 20 малих роботів летять одним строєм. Вони стежать за позицією сусідів. Вони тримаються разом. Стрій змінюється. Він буває двовимірний або тривимірний. Як бачите, роботи переходять від тривимірного строю до двовимірного. Якщо потрібно пролетіти крізь перешкоди, роботи змінюють стрій на лету. Знову ж таки, роботи знаходяться дуже близько один до одного. Коли вони летять "вісімкою", то дуже тісно наближаються один до одного. І, незважаючи на аеродинамічний взаємозв'язок ґвинтових лопатей, вони утримують рівновагу.

(Оплески)

Отож, роботи вже навчилися літати строєм. Тепер вони можуть разом піднімати предмети. Таким чином ми удвічі, утричі, а то й у чотири рази збільшимо силу робота. Всього лиш об'єднавши їх у команди. Проте існує один недолік. Ми збільшуємо кількість роботів, які несуть один і той же предмет, і тим самим підсилюємо інерцію. Жертвуємо маневреністю роботів. Натомість збільшуємо чисту вантажопідйомність.

Я покажу вам ще один спосіб застосування роботів. Знову в нашій лабораторії. Це робота аспіранта Квентіна Ліндсі. По суті, його алгоритм вказує роботам, як самостійно збудувати кубічні структури зі схожих на балки частин. Його алгоритм каже роботу, яку частину підняти, і коли та куди її поставити. На цьому відео ви бачите -- з прискоренням у 10, 14 разів -- як роботи будують три окремі структури. Повторюю -- вони працюють самостійно. Єдине завдання Квентіна -- завдати їм план проекту, який він хоче збудувати.

Усі експерименти, які ви бачили, усі ці покази, були виконані за допомогою систем захоплення руху. А що трапиться, коли ви вийдете з лабораторії у справжній світ? А якщо там не буде GPS? Насправді, цей робот оснащений камерою і лазерним шукачем, лазерним сканером. За допомогою цих давачів він створює карту середовища. На карту нанесені різні деталі -- як-от дверні отвори, вікна, люди, меблі. Тоді робот визначає своє розташування відносно цих деталей. Отож, глобальної системи координат не існує. Система координат залежить від робота, від того, де він знаходиться, і що бачить перед собою. Робот рухається залежно від цих даних.

Зараз я покажу вам відео про алгоритми, які розробили Франк Шен і професор Натан Майкл. На відео робот уперше потрапляє у приміщення і на лету створює карту. Таким чином, робот визначає окремі деталі. Він створює карту. Далі визначає своє розташування відносно тих деталей і оцінює своє становище 100 разів за секунду. Отож, ми маємо змогу застосувати алгоритми контролю, які я описав раніше. По суті, робот отримує команди від Франка на відстані. Водночас, він здатний самостійно визначити, куди йому треба рухатися. Припустімо, мені потрібно відправити роботів у цей будинок, але я не маю найменшого уявлення, як він виглядає. Тому я посилаю туди робота, він створює карту, а потім повертається і повідомляє, як виглядає будинок. У цьому випадку, робот не тільки розв'язує проблему, як потрапити з пункту А до пункту Б на цій карті. Він ще й визначає, де щоразу знаходиться найкращий пункт Б. Тобто він знає, де шукати невідомі місця. І таким чином наповнює карту.

Насамкінець я розповім вам про ще один спосіб застосування роботів. А цих способів є чимало. Я професор, а в нашому колі вболівають за освіту. Роботи можуть кардинально змінити підхід до навчання у школі. Але ми зараз у південній Каліфорнії поблизу Лос-Анджелеса, тому я мушу завершити промову чимось веселим. І тому покажу вам музичне відео. Дозвольте представити вам творців цього відео -- Алекса та Деніела.

(Оплески)

І ще хочу зауважити, що вони створили цей ролик за три останні дні після того, як їм зателефонував Кріс. Роботи, які грають у відео, цілком самостійні. Ви побачите, як дев'ять роботів грають на шести різних інструментах. Звичайно, це відео знято спеціально для TED 2012. Дивимось.

(Музика)

(Оплески)