Благодаря чрезвычайно чувствительным усам (вибриссам), которые позволяют заранее нащупать препятствие, крысы и мыши почти не рискуют «набить шишку» в темноте. Этот орган чувств помогает им свободно перемещаться по зданиям, канализации, норам и множеству других сред вне зависимости от видимости. Помимо прикосновений, вибриссы улавливают вибрации и даже слабые потоки воздуха.
Усики дрона вдохновлены вибриссами крыс и других животных. Делфтский технический университет / Studio Oostrum.
Вдохновившись таким тактильным чувством, исследователи из Делфтского технического университета в Нидерландах разработали лёгкий тактильный сенсор на основе искусственных усиков, который позволяет дронам ориентироваться и исследовать пространство с помощью лёгких касаний. Усики сделаны из нитиноловой проволоки — сверхлёгкого никель-титанового сплава с памятью формы — и дают аппарату возможность «ощупывать» окружение вместо того, чтобы полагаться на зрение, благодаря чему он работает в темноте и при плохой видимости.
Современные дроны, конечно, не врезаются в предметы случайным образом: автономные аппараты оснащены продвинутыми системами навигации и обхода препятствий. Проблема возникает с совсем крошечными дронами — легче 100 граммов, где гораздо сложнее совместить жёсткие ограничения по массе с нужной производительностью. Камеры, лидары и другие привычные навигационные датчики для таких аппаратов обычно слишком тяжелы.
Чтобы решить эту задачу, учёные создали лёгкие чувствительные к давлению искусственные усики — каждый весит всего 3,2 грамма при длине 200 мм. Два таких усика закрепили в передней части дрона. У основания каждого филамента расположены три миниатюрных барометрических датчика давления, подключённых к бортовому микроконтроллеру. Когда дрон подлетает к объекту и усик задевает или сгибается о поверхность, изменения давления у основания считываются менее чем за две миллисекунды, позволяя аппарату вычислить точку и глубину контакта с точностью до миллиметра.
Руководители исследования Салуа Хамаза (слева) и Чаосян Е. Делфтский технический университет / Studio Oostrum.
«Мы хотим дать дронам богатое тактильное восприятие — не для манипуляций в воздухе, а для новой концепции тактильной навигации: использовать прикосновение, чтобы исследовать неизвестное пространство и летать в нём. Но здесь есть сложность: чтобы тактильные датчики работали на дроне, они должны быть лёгкими, быстрыми и энергоэффективными. Вдохновившись природой, мы нашли ответ в усиках», — поясняет Салуа Хамаза, доцент кафедры физического взаимодействия и воплощённого интеллекта летательных аппаратов Делфтского технического университета.
Возникает резонный вопрос: как вообще может работать сверхчувствительный датчик давления, закреплённый на вибрирующем дроне, который сам создаёт шумные потоки воздуха? Исследователи предусмотрели и это. Они разработали лёгкий конвейер обработки в реальном времени: бортовое ПО отделяет значимую информацию о касании от турбулентности, создаваемой собственными винтами дрона, выделяя надёжные тактильные данные прямо в полёте. Что впечатляет, системе для этого хватает всего 34 килобайт.
«Мы хотели показать, что осязание не обязательно требует жертвовать размером или вычислительной мощностью. Весь наш конвейер тактильного восприятия работает на борту, используя всего 34 килобайта памяти, что позволяет крошечному дрону воспринимать окружение и реагировать на него в реальном времени», — отметил Чаосян Е, участник проекта.
В экспериментах оснащённый усиками дрон не только повторял контуры поверхностей в полной темноте и обследовал замкнутые помещения, двигаясь вдоль стен, но и строил тактильные карты незнакомых пространств и находил выходы, не полагаясь на зрительные датчики. Такие возможности особенно полезны в поисково-спасательных операциях, где темнота, дым, пыль и другие взвеси мешают навигации по камерам.
Важная оговорка: усики должны физически коснуться объекта, чтобы «узнать» о его существовании. А поскольку их длина всего 200 мм, носиться на высокой скорости по неизведанной местности дрон не может — инерция попросту впечатает его в препятствие раньше, чем усики успеют его нащупать.
Кроме того, усики расположены спереди, поэтому дрон не замечает боковых препятствий — например, торчащих в лесу ветвей. Система создана для структурированных тоннелей с плохой видимостью и лучше всего показывает себя там, где есть сплошные и относительно ровные поверхности: дрон прижимает усики к стене и движется вдоль неё, словно незрячий человек с тростью.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications; работу представил Делфтский технический университет.
