Udrustet med bittesmå lasere til øjnene kan sværme af formindskede robotdroner snart være i stand til at bestøve afgrøder, søge sammenbrudte bygninger efter overlevende eller foretage målinger af luftkvalitet over store områder.
I 2012 kom forskere ved Harvard University overskrifter, da de lancerede et robotisk insekt, der kun vejer milligram, og så, da det med succes fløj og landede; et år senere var det i stand til at følge en forprogrammeret sti. Siden da har RoboBee lært at svømme, men der er stadig et stort hul i sine evner: det kan ikke se effektivt.
Forskere ved University of Buffalo og University of Florida arbejder på at ændre det. I løbet af de næste tre år tester Karthik Dantu ved Buffalo og Sanjeev Koppal i Florida ved hjælp af et tilskud på 1, 1 millioner dollars fra National Science Foundation i Florida måder til at skrumpe den teknologi, der bruges i lidar, eller lysdetektering og spænding, for at give det lille droner muligheden for at navigere sig selv mod et mål uden at blive drevet der af en menneskelig operatør. De ville være som Googles selvkørende bil, kun tusinder af gange mindre.
”Vi havde brug for en dybdesensor for intelligent opførsel, ” siger Koppal. ”Da vi tænkte på, hvilken type teknikker vi kunne bruge, var lidar øverst på listen.”
Lidar blev udviklet i 1960'erne efter laserens opfindelse og fungerer lige som radar eller ekkolod, men med lys. Ved at pulse en række usynlige lysstråler ud i det omkringliggende område, skaber lidar et detaljeret billede af miljøet baseret på lys, der er sprunget tilbage til dets sensorer. Lidar kan bruge lys i de synlige, ultraviolette og næsten infrarøde bølgelængder til billeddannelse, og de kortere bølgelængder gør det muligt at måle partikler så små som luftbårne aerosoler.
Men det mindste kommercielle lidarsystem vejer 830 gram, eller næsten to pund, mens en robotbi kun er 80 milligram - lettere end en lille papirclips. Med andre ord kræver skabelse af mikrolidar-kapacitet Ant-Man-niveau krympning.
Konventionelle kameraer kunne ikke bruges, forklarer Dantu, fordi robotterne bare er for små - dybdesyn med kameraer kræver, at de er placeret i en mindsteafstand fra hinanden, ligesom øjne, og der er bare ikke den slags plads på dronen. At fange og analysere lysstråler for at opfatte afstand og dybde var den logiske sti, da den er afhængig af at samle lys fra enhver retning. Desuden forbruger kameraer og billedbehandling meget strøm, hvilket også er en præmie på RoboBees. Cirka 97 procent af det samlede strømbudget ombord på en robotbi forbruges ved flyvning; computere og sensing systemer komme til at kæmpe med andre systemer for resterne.
Med tilskuddet designer Koppal nye lette sensorer, og Dantu arbejder på matematiske algoritmer for at hjælpe disse sensorer bedst med at bruge de data, de indsamler. En kollega af Koppals i Florida, Huikai Xie, arbejder på at bygge de nødvendige laserudledere.
Først vil forskerne bruge et spejl med vidvinkeloptik på dronen til at indsamle laserpulser fra en fjern lidar-basestation og finjustere den korrekte algoritme til sensorerne med disse data. Det andet trin er at montere en laserdiode på selve dronen, drevet via tether til en basisstation eller batteri. Derfra er det ultimative mål at få det hele internt drevet.
(Microbiotics Lab, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences og Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Microlidar kunne bruges i endoskopiske sonder, de stavlignende værktøjer, der bruges under operation, der i øjeblikket anvender ultralyd til at visualisere indre organer og kropsstrukturer. En hel sverm af robotbier kunne overvåge luftforurening, vejr eller trafikmønstre over et stort område. Enhver disciplin, der i øjeblikket bruger lidar, kan potentielt drage fordel, herunder topografisk kortlægning, påvisning af seismiske fejl, identifikation af uopdagede mineralforekomster, arkitektonisk planlægning og kloakvedligeholdelse.
Selvom Dantu og Koppal fokuserer på at få et levedygtigt lidar-system bygget til dronen, er netop hvordan dataene bliver samlet og behandlet en hindring, de diskuterer ofte. Bien eller svermen af bier kunne udføre en del af databehandlingen alene og kunne samlet overføre data via kodede lysimpulser til en basisstation til dybdegående beregning.
Michael Olsen, lektor i geomatik ved Oregon State University, arbejder med lidar for at studere topografi og terrænkortlægning, og bruger hovedsageligt jordbaserede scannere til at se på kyst erosion, sikkerhed ved broer og jordskælvsteknik. Han siger, at manglen på evne til at indsamle et komplet datasæt er en stor begrænsning med konventionelle lidarsystemer.
”Vi har uundgåeligt huller i vores data på grund af synslinjer, ” siger Olsen. ”Disse RoboBees ville potentielt være meget nyttige til at hjælpe med at udfylde nogle af disse huller for at producere en mere komplet model. Nedskæringen af et aktivt lasersystem, såsom lidar, er en ganske udfordring, og det forskerne tackle her er en helt ny skala. Det lyder som om de har fundet nogle meget interessante løsninger på begrænsninger i kraft, vægt og størrelse. ”
Fuldt klargjort kunne en sværm af mikrolidar-udstyrede bi-droner flyve rundt om træer i en tæt skov for bedre at fange strukturen af hvert træ, eller op under stagene på en bro, scanninger, der er vanskelige at lave med konventionelle teknikker.
Mens lidar i øjeblikket bruges til forskning og industrielle anvendelser, kan microlidar have mange hjemmebaserede eller medicinske anvendelser. Husjægere kunne have adgang til en fuld 3D-gengivelse af et hus til salg og kende de nøjagtige dimensioner af værelser for at planlægge, hvordan møbler kan passe. Søgnings- og redningsopgaver kunne kæmpe gennem små rum inden for sammenbrudte strukturer. Hjemmebaserede systemer kunne registrere, om noget er ude af sted eller mangler, eller i hvilken grad jorden er skiftet efter et jordskred eller et jordskælv. Og bodybuildere eller vægttabssøgere kunne få regelmæssige og detaljerede scanninger af deres kroppe for at kende omfanget af deres fremskridt.
Dantu og Koppal indrømmer, at denne slags applikationer stadig er mange år fremover, men at teknologiens praktiske karakter er lovende.
”Hvis du kan gøre noget på RoboBee, kan du gøre det hvor som helst, ” siger Koppal. ”Microlidar kunne arbejde, uanset hvor almindelig lidar bruges. Der er alle former for anvendelser inden for landbrug og industri, hvor folk allerede bruger lidar til at kortlægge fabriksgulvet eller gården. I mange tilfælde er mindre og billigere bare bedre. ”
Og husk, disse lasere er ikke højdrevne zapper. RoboBees bruger ikke dem til at opdele og erobre - kun for at få et mere nøjagtigt billede af verden omkring dem.
