Um pássaro aba suas asas, desliza usando correntes de ar e depois desce suavemente para empoleirar-se em um poste. Mas isso não é apenas qualquer pássaro, é um pássaro robô. E os robôs como esses poderiam na próxima década ser usados para responder a emergências ou caçar drones posando uma ameaça à segurança ou segurança.
Veículos aéreos uncrewed (UAVs) são definidos para formar uma indústria crescente de vários bilhões de dólares nos céus nos próximos anos, com o aumento do potencial para uma ampla gama de usos de assistência de emergência à entrega de medicamentos, entregas domésticas e agricultura de precisão.
Em conformidade com isso, os esforços estão em andamento para reforçar a eficiência do vôo e a inteligência do UAVs para navegar melhor em ambientes construídos. Uma variedade de grupos de pesquisa está desenhando sua inspiração da natureza, muitas vezes pássaros – uma inspiração original para o vôo humano.
Professor Anibal OlloLero, um engenheiro elétrico na Universidade de Sevilha, na Espanha, diz que os drones padrão com hélices podem voar para talvez 20 a 30 minutos, mas que os projetos semelhantes a pássaros que ele está trabalhando têm o potencial de dobrar isso. “Os multirotores convencionais são muito restritos em termos de tempo de vôo e alcance”, disse ele. “Queremos aumentar este alcance usando o vento e os fluxos de ar.”
O Projeto Griffin Ele leva é procurar criar protótipos de aves robóticas altamente autônomas e ultra-leves que podem minimizar a energia em vôo, poleiro em superfícies curvas, realizar tarefas com membros em movimento e bicos artificiais, e interagem de forma inteligente com as pessoas e o meio ambiente.
As aves também podem transportar computadores integrados e câmeras para navegação visual. “Os pássaros têm um corpo muito complexo e exibem comportamentos complexos. O que estamos usando é a inspiração nas aves para extrair recursos relevantes para nossas aeronaves de ornitópteros robóticos que voam batendo suas asas”, disse o Prof. Ollero.
Pássaro-like.
Para conservar a energia, um dos objetivos dos pesquisadores é usar o vento para permitir que os robôs subam como pássaros, combinando isso com o flapping quando necessário.
Além de potencialmente impulsionar a eficiência, o Prof. Ollero diz que um design semelhante a pássaros tem vantagens como a capacidade de reduzir o ruído e melhorar a segurança em certas situações devido à ausência de hélices e o uso de materiais macios e flexíveis, como compósitos de microfibra e nylon para o asas e cauda.
Isso significa que eles poderiam ser usados, por exemplo, pousar em pessoas feridas e tomar medidas biométricas ou colocar uma máscara neles em um ambiente perigoso. “As hélices não são boas para essa interação – elas podem ferir as pessoas”, disse o Prof. Ollero.
Outra aplicação é a chamada ‘inspeção de contato’ em plantas industriais, em áreas onde pode ser perigoso para as pessoas trabalharem por causa da presença de gases. Lá, um robô poderia pousar em um cachimbo e medir sua espessura para detectar a corrosão.
Até agora, a equipe demonstrou voo com asas de bater nas asas e ao ar livre, e a capacidade de pousar em uma pequena plataforma quadrada de 20 a 30 centímetros de largura. O próximo desafio, que o Prof. OlloLero diz é “não trivial”, é colocar as aves em superfícies curvas, como postes ou cabos sem sobrecarregar e, em seguida, coordenar outras funções.
“O que queremos demonstrar é essas capacidades combinadas: ser capaz de voar enquanto economiza energia, sendo capaz de manipular seus membros como um pássaro.”
Desafios
Para empoleirar, assim como agarrar, a equipe tem trabalhado com materiais chamados ligas de memória de forma para criar garras bio-inspiradas que podem se deformar para enrolar em torno de um poste – algo que o Prof. OlloLero acha que será possível no final deste ano, quando combinado com a máquina Aprendendo. Ele também quer adicionar sensores inteligentes a bordo do vento para melhorar as correntes de ar.
Além da complexidade das funções de coordenação, há alguns outros grandes desafios para superar. Por um lado, ele diz, a transição entre o batimento e o deslizamento é difícil, enquanto dependendo das flutuações ambientais nem sempre é confiável. Como pássaros leves com equipamentos de bordo, há também desafios com a carga que podem carregar – embora o Prof. Ollo diz que eles tinham capacidade suficiente para transportar coisas como remédios.
“Há muito trabalho para fazer na integração de novas tecnologias relacionadas à ciência material, mecânica, aerodinâmica e inteligência artificial em nossas aves robóticas”, acrescentou. No entanto, ele acha que essas aves podem estar realizando tarefas práticas até 2030.
A navegação visual é outro desafio para os pássaros do robô, algo que o projeto Hawkeye está investigando. Seus estudos sobre como as guias de visão que vôo em aves poderiam se traduzir em sistemas de orientação mais eficientes para o UAVS.
Até recentemente, a visão in-flight de aves tinha sido pouco estudada, diz o professor Graham Taylor, um biólogo matemático da Universidade de Oxford, Reino Unido, que leva a Hawkeye. “É muito difícil estudar em vôo. Isso é desafiador até que você tenha kit miniaturizado”.
Miniaturização
Agora, a miniaturização tornou-se possível através de desenvolvimentos na tecnologia de telefonia móvel, permitindo a criação de sensores e marcadores anexáveis não invasivos para medir a cabeça dos pássaros, os olhos e os movimentos corporais com o que o Prof. Taylor descreve como “precisão do sub-milímetro”. Como um Faça parte da parte do projeto, os pesquisadores estão usando essas câmeras em miniatura e sistemas de captura de movimento para permitir reconstruções 3D do que as aves vêem em vôo.
Sua equipe vem estudando como os pássaros usam a visão em “comportamentos direcionados para objetivos”, incluindo presa e manobrar em torno de obstáculos.
A Hawkeye descobriu diferentes estratégias. A equipe descobriu que os falcões de peregrino (Falco peregrinus) usam feedback visual para orientação de maneira semelhante a mísseis visualmente guiados, tornando-os altamente eficientes para perseguir presas em linha lisa e reta.
Em contraste, um estudo posterior descobriu que os Hawks de Harris (Parabuteo Unicinctus) usam uma estratégia de “orientação mista” para buscar presas através de habitats “desordenados”, como esfoliação ou árvores do deserto, melhorando o desempenho para perseguir alvos ágeis e ziguezaguientes.
Além do potencial para aplicar esse conhecimento nos sistemas de navegação, pode ser aproveitado para ajudar os veículos voadores interceptar drones que representam uma ameaça. Embora os sistemas visualmente guiados tenham sido desenvolvidos para interceptação de mísseis, bloquear os drones no espaço aéreo urbano mais lotado de cidades e estádios representa um novo desafio, diz Prof. Taylor.
Isso poderia ganhar importância, dado o crescimento esperado em drones, ele diz, observando o toque aéreo de 2018 no aeroporto de Gatwick de Londres que fechou a pista por 33 horas e foi estimado para ter custos aéreos dezenas de milhões de euros.
“Há uma lacuna no momento para qualquer coisa que seja capaz de entrar e interceptando algo com segurança. Essa é uma das coisas que os pássaros são extremamente bons em fazer.”
Voos.
Tendo observado mais de 20.000 voos de falcões, falcões, tentilhões e pombos, o Prof. Taylor diz que sua equipe ganhou uma forte compreensão dos mecanismos subjacentes envolvidos em perseguição e evitação de obstáculos, além de empoleirar-se.
“(Agora temos) uma compreensão realmente boa de como as aves estão fazendo uso de visão para fazer isso efetivamente em ambientes lotados”, disse ele. “É tomada a biomecânica e o estudo do vôo para a era dos grandes dados.”
O Prof. Taylor acrescenta que, apesar dos comportamentos complexos de aves na superfície, parecia haver uma lei de orientação matemática subjacente relativamente simples que captura a maior parte dos comportamentos Hawkeye analisou, potencialmente simplificando a criação de algoritmos em UAVs que podem ser ajustados para fins diferentes .
“Isso nos dá uma estrutura comum para entender toda uma gama de comportamentos que podem não parecer inicialmente relacionados”, disse ele. “Agora que entendemos os algoritmos, o próximo passo é começar a aplicar aqueles em drones”.
Os algoritmos poderiam ser aplicados para estudar outros comportamentos complexos na natureza, diz Prof. Taylor, enquanto melhor conhecimento sobre as aves e sua visão podem ajudar a entender como eles evoluíram para lidar com diferentes tarefas e ajudar a projetar estruturas como edifícios e turbinas eólicas com pistas para evitar que os pássaros batem neles.
Enrico Ajanic, um Ph.D. Estudante em Robótica no EPFL (o École Polytechnique Fédérale de Lausanne) na Suíça, que tem trabalhado em drones inspirados em Raptor com penas artificiais, diz que os diferentes tipos de drones têm diferentes vantagens no presente – com multirotores sendo ágil, mas com resistência comparativamente baixa , enquanto os drones alados atualmente tendem a ter alta resistência, mas baixa agilidade.
“Há muitas lições que podemos aprender com pássaros”, acrescentou. “Eles são panfletos altamente qualificados que podem negociar muitos regimes diferentes de vôo – vôo rápido, crescente, ágil e lento, para citar alguns.”
Pombos
Ajanic disse que, além de Raptors, os pesquisadores podem aprender muito de muitas espécies de aves diferentes. Por exemplo, apesar de sua má reputação, os pombos também são um excelente modelo para investigação, porque eles podem navegar de forma confiável nas cidades e voar longas distâncias eficientemente, ele diz.
Mas ele diz que ainda há muitos desafios, como a sensibilidade dos drones semelhantes a pássaros ao vento. Há também muitas perguntas a responder para melhorar tanto a compreensão biológica das aves e como isso pode ser aplicado em drones, incluindo como os pássaros torcem suas caudas ao deslizar e como otimizar a capacidade das asas.
“Ainda há muito trabalho para fazer antes que possamos até aproximar as habilidades de vôo das aves”, acrescentou o professor Dario Floreano, diretor do Laboratório EPFL de Sistemas Inteligentes e Ph.DD do Ajanic. orientador. “Os pássaros não apenas voam, mas também se coordenam uns com os outros, interagem e alteram o ambiente e tornam decisões autônomas complexas de que nossos drones dificilmente podem combinar.”
No entanto, embora ele diga que os drones podem gerar ansiedade e risco de violações de privacidade, ele acha que existem impactos potenciais mais positivos do que negativos – com UAVs inspirados em ave, tendo a oportunidade de moldar significativamente o futuro dos drones.
“Tais drones futuros desempenharão um papel importante na ajuda à humanidade nas missões de busca e resgate, mitigação de desastre ou entrega eficiente”, disse Prof. Floreano. “Para completar com sucesso essas missões, elas terão que navegar de forma autônoma em ambientes complexos. Assim, os desafios tais drones devem superar são muito semelhantes aos Desafios Os pássaros são atacando todos os dias.”
Publicado em 02/06/2021 11h53
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