Uma foto de lapso de tempo mostra um microrobô voador dando uma cambalhota. Crédito: Cortesia do Laboratório Tender and Micro Robotics.
Por Adam Zewe
No futuro, pequenos robôs voadores poderão ser utilizados para ajudar na busca por sobreviventes presos sob os escombros após um terremoto devastador. Como insetos reais, esses robôs poderiam voar através de espaços apertados que robôs maiores não conseguem alcançar, ao mesmo tempo em que evitavam obstáculos estacionários e pedaços de entulho que caíam.
Até agora, os microrobôs aéreos só conseguiram voar lentamente ao longo de trajetórias suaves, longe do voo rápido e ágil dos insetos reais – até agora.
Pesquisadores do MIT demonstraram microrobôs aéreos que podem voar com velocidade e agilidade comparáveis aos seus equivalentes biológicos. Uma equipe colaborativa projetou um novo controlador baseado em IA para o inseto robótico que lhe permitiu seguir trajetórias de voo ginásticas, como executar movimentos contínuos do corpo.
Com um esquema de controle de duas partes que combina alto desempenho com eficiência computacional, a velocidade e a aceleração do robô aumentaram cerca de 450% e 250%, respectivamente, em comparação com as melhores demonstrações anteriores dos pesquisadores.
O rápido robô foi ágil o suficiente para completar 10 cambalhotas consecutivas em 11 segundos, mesmo quando as perturbações do vento ameaçavam desviá-lo do curso.
“Queremos ser capazes de usar esses robôs em cenários onde os robôs quadricópteros mais tradicionais teriam problemas para voar, mas onde os insetos poderiam navegar. Agora, com nossa estrutura de controle bioinspirada, o desempenho de voo do nosso robô é comparável ao dos insetos em termos de velocidade, aceleração e ângulo de inclinação. Este é um passo bastante emocionante em direção a esse objetivo futuro”, diz Kevin Chen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), chefe do Laboratório de Robótica Tender e Micro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica. (RLE) e co-autor sênior de um papel no robô.
Chen é acompanhado no artigo pelos co-autores principais Yi-Hsuan Hsiao, um estudante de pós-graduação do EECS MIT; Andrea Tagliabue PhD ’24; e Owen Matteson, aluno de pós-graduação do Departamento de Aeronáutica e Astronáutica (AeroAstro); bem como o estudante de pós-graduação do EECS, Suhan Kim; Tong Zhao MEng ’23; e o co-autor sênior Jonathan P. How, Professor de Engenharia da Ford no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica e investigador principal no Laboratório de Sistemas de Informação e Decisão (LIDS). A pesquisa aparece hoje em Avanços da Ciência.
Um controlador de IA
O grupo de Chen constrói insetos robóticos há mais de cinco anos.
Eles desenvolveram recentemente um versão mais durável de seu pequeno robôum dispositivo do tamanho de um microcassete que pesa menos que um clipe de papel. A nova versão utiliza asas maiores e agitadas que permitem movimentos mais ágeis. Eles são movidos por um conjunto de músculos artificiais moles que batem as asas em um ritmo extremamente rápido.
Mas o controlador – o “cérebro” do robô que determina a sua posição e lhe diz para onde voar – foi ajustado manualmente por um humano, limitando o desempenho do robô.
Para que o robô voasse rápida e agressivamente como um inseto actual, ele precisava de um controlador mais robusto que pudesse dar conta da incerteza e realizar otimizações complexas rapidamente.
Tal controlador seria muito intensivo em termos computacionais para ser implantado em tempo actual, especialmente com a complicada aerodinâmica do robô leve.
Para superar esse desafio, o grupo de Chen uniu forças com a equipe de How e, juntos, criaram um esquema de controle baseado em IA em duas etapas que fornece a robustez necessária para manobras rápidas e complexas e a eficiência computacional necessária para implantação em tempo actual.
“Os avanços no {hardware} impulsionaram o controlador para que pudéssemos fazer mais no lado do software program, mas, ao mesmo tempo, à medida que o controlador se desenvolvia, havia mais que podiam fazer com o {hardware}. À medida que a equipe de Kevin demonstra novos recursos, demonstramos que podemos utilizá-los”, diz How.
Para a primeira etapa, a equipe construiu o que é conhecido como controlador preditivo de modelo. Este tipo de controlador poderoso utiliza um modelo matemático dinâmico para prever o comportamento do robô e planejar a série very best de ações para seguir uma trajetória com segurança.
Embora computacionalmente intensivo, ele pode planejar manobras desafiadoras, como cambalhotas aéreas, curvas rápidas e inclinações agressivas do corpo. Este planejador de alto desempenho também foi projetado para considerar as restrições de força e torque que o robô pode aplicar, o que é essencial para evitar colisões.
Por exemplo, para realizar várias voltas consecutivas, o robô precisaria desacelerar de tal forma que suas condições iniciais fossem exatamente corretas para fazer a volta novamente.
“Se ocorrerem pequenos erros e você tentar repetir aquela virada 10 vezes com esses pequenos erros, o robô simplesmente irá falhar. Precisamos ter um controle de voo robusto”, diz How.
Eles usam esse planejador especializado para treinar uma “política” baseada em um modelo de aprendizagem profunda, para controlar o robô em tempo actual, por meio de um processo chamado aprendizagem por imitação. Uma política é o mecanismo de tomada de decisão do robô, que informa ao robô para onde e como voar.
Essencialmente, o processo de aprendizagem por imitação comprime o poderoso controlador em um modelo de IA computacionalmente eficiente que pode ser executado muito rapidamente.
A chave period ter uma maneira inteligente de criar dados de treinamento suficientes, que ensinassem à política tudo o que ela precisa saber para manobras agressivas.
“O método de treinamento robusto é o ingrediente secreto desta técnica”, explica How.
A política orientada por IA assume as posições do robô como entradas e saídas de comandos de controle em tempo actual, como força de impulso e torques.
Desempenho semelhante ao de um inseto
Em seus experimentos, essa abordagem em duas etapas permitiu que o robô em escala de inseto voasse 447% mais rápido, exibindo um aumento de 255% na aceleração. O robô foi capaz de completar 10 cambalhotas em 11 segundos, e o minúsculo robô nunca se desviou mais de 4 ou 5 centímetros de sua trajetória planejada.
“Este trabalho demonstra que os mushy e microrrobôs, tradicionalmente limitados em velocidade, podem agora aproveitar algoritmos de controle avançados para alcançar uma agilidade que se aproxima da dos insetos naturais e dos robôs maiores, abrindo novas oportunidades para a locomoção multimodal”, diz Hsiao.
Os pesquisadores também conseguiram demonstrar o movimento sacádico, que ocorre quando os insetos se lançam de forma muito agressiva, voam rapidamente para uma determinada posição e depois se inclinam para o outro lado para parar. Essa rápida aceleração e desaceleração ajudam os insetos a se localizarem e a verem com clareza.
“Esse comportamento de voo de bioimitação pode nos ajudar no futuro, quando começarmos a colocar câmeras e sensores a bordo do robô”, diz Chen.
Adicionar sensores e câmeras para que os microrobôs possam voar ao ar livre, sem estarem conectados a um sistema complexo de captura de movimento, será uma área importante de trabalho futuro.
Os pesquisadores também querem estudar como os sensores a bordo podem ajudar os robôs a evitar colisões uns com os outros ou a coordenar a navegação.
“Para a comunidade de microrobótica, espero que este artigo sinalize uma mudança de paradigma, mostrando que podemos desenvolver uma nova arquitetura de controle que seja de alto desempenho e eficiente ao mesmo tempo”, diz Chen.
“Este trabalho é especialmente impressionante porque esses robôs ainda realizam giros precisos e giros rápidos, apesar das grandes incertezas que vêm de tolerâncias de fabricação relativamente grandes na fabricação em pequena escala, rajadas de vento de mais de 1 metro por segundo e até mesmo sua corda de energia envolvendo o robô enquanto ele executa giros repetidos”, diz Sarah Bergbreiter, professora de engenharia mecânica na Universidade Carnegie Mellon, que não esteve envolvida neste trabalho.
“Embora o controlador atualmente seja executado em um computador externo, em vez de a bordo do robô, os autores demonstram que políticas de controle semelhantes, mas menos precisas, podem ser viáveis, mesmo com a computação mais limitada disponível em um robô em escala de inseto. Isto é emocionante porque aponta para futuros robôs em escala de inseto com agilidade próxima à de seus equivalentes biológicos”, acrescenta ela.
Esta pesquisa é financiada, em parte, pela Nationwide Science Basis (NSF), pelo Workplace of Naval Analysis, pelo Air Power Workplace of Scientific Analysis, pela MathWorks e pela Zakhartchenko Fellowship.
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