Mit winzigen Lasern für die Augen ausgestattet, könnten Schwärme kleinerer Roboterdrohnen bald in der Lage sein, Felder mit Feldfrüchten zu bestäuben, eingestürzte Gebäude nach Überlebenden zu durchsuchen oder Luftqualitätsmessungen über große Gebiete durchzuführen.
Im Jahr 2012 machten Forscher der Harvard University Schlagzeilen, als sie ein Roboterinsekt starteten, das nur Milligramm wog, und beobachteten, wie es erfolgreich flog und landete. ein Jahr später konnte es einem vorprogrammierten Weg folgen. Seitdem hat der RoboBee das Schwimmen gelernt, aber es gibt immer noch eine große Lücke in seinen Fähigkeiten: Er kann nicht effektiv sehen.
Forscher der University of Buffalo und der University of Florida arbeiten daran, dies zu ändern. In den nächsten drei Jahren testen Karthik Dantu in Buffalo und Sanjeev Koppal in Florida mit Hilfe eines Stipendiums der National Science Foundation in Höhe von 1, 1 Millionen US-Dollar Möglichkeiten, die bei der Lidar- oder Lichtdetektion und -entfernung verwendete Technologie zu verkleinern, um das Wenige zu erreichen Drohnen die Fähigkeit, sich selbst in Richtung eines Ziels zu steuern, ohne von einem menschlichen Bediener dorthin gefahren zu werden. Sie wären wie das selbstfahrende Auto von Google, nur tausendmal kleiner.
„Wir brauchten einen Tiefensensor für intelligentes Verhalten“, sagt Koppal. "Als wir darüber nachdachten, welche Art von Techniken wir anwenden könnten, stand Lidar ganz oben auf der Liste."
Lidar wurde in den 1960er Jahren nach der Erfindung des Lasers entwickelt und funktioniert wie Radar oder Sonar, jedoch mit Licht. Durch das Pulsen einer Reihe unsichtbarer Lichtstrahlen in die Umgebung erzeugt LIDAR ein detailliertes Bild der Umgebung, das auf Licht basiert, das von den Sensoren zurückgeworfen wird. Lidar kann Licht im sichtbaren, ultravioletten und nahen Infrarotbereich für die Bildgebung verwenden, und die kürzeren Wellenlängen ermöglichen es, Partikel zu messen, die so klein sind wie Aerosole in der Luft.
Aber das kleinste kommerzielle Lidar-System wiegt 830 Gramm oder fast zwei Pfund, während eine Roboterbiene nur 80 Milligramm wiegt - leichter als eine kleine Büroklammer. Mit anderen Worten, die Schaffung von Mikrolaborfähigkeit erfordert eine Schrumpfung auf Ant-Man-Ebene.
Herkömmliche Kameras könnten nicht verwendet werden, erklärt Dantu, weil die Roboter einfach zu klein sind - Tiefenwahrnehmung bei Kameras erfordert, dass sie einen Mindestabstand haben, wie Augen, und auf der Drohne gibt es einfach keinen solchen Raum. Das Erfassen und Analysieren von Lichtstrahlen zur Wahrnehmung von Entfernung und Tiefe war der logische Weg, da Licht aus jeder Richtung gesammelt werden muss. Darüber hinaus verbrauchen Kameras und Bildverarbeitung viel Strom, was auch bei den RoboBees eine große Rolle spielt. Rund 97 Prozent des gesamten Strombudgets an Bord einer Roboterbiene werden durch den Flug verbraucht. Rechen- und Erfassungssysteme kämpfen mit anderen Systemen um die Reste.
Mit dem Zuschuss entwirft Koppal neue leichte Sensoren, und Dantu arbeitet an mathematischen Algorithmen, um diesen Sensoren zu helfen, die von ihnen gesammelten Daten optimal zu nutzen. Ein Kollege von Koppal in Florida, Huikai Xie, arbeitet am Bau der erforderlichen Laserstrahler.
Zuerst werden die Forscher einen Spiegel mit Weitwinkeloptik auf der Drohne verwenden, um Laserimpulse von einer entfernten Lidar-Basisstation zu sammeln und den richtigen Algorithmus für die Sensoren mit diesen Daten abzustimmen. Der zweite Schritt besteht darin, eine Laserdiode an der Drohne selbst anzubringen, die über ein Kabel an eine Basisstation oder einen Akku angeschlossen wird. Von dort aus ist das ultimative Ziel, alles intern mit Strom zu versorgen.
(Microbiotics Lab, Hochschule für Technik und angewandte Wissenschaften Harvard John A. Paulson und Wyss Institute for Biological Inspired Engineering) Microlidar könnte in endoskopischen Sonden verwendet werden, den stabförmigen Instrumenten, die während der Operation verwendet werden und derzeit Ultraschall zur Visualisierung innerer Organe und Körperstrukturen verwenden. Ein ganzer Schwarm von Roboterbienen könnte die Luftverschmutzung, das Wetter oder das Verkehrsgeschehen großflächig überwachen. Jede Disziplin, die derzeit LIDAR einsetzt, könnte potenziell davon profitieren, einschließlich der topografischen Kartierung, der Erkennung von Erdbebenfehlern, der Identifizierung unentdeckter Mineralvorkommen, der Architekturplanung und der Kanalinstandhaltung.
Obwohl Dantu und Koppal sich darauf konzentrieren, ein funktionsfähiges Lidar-System für die Drohne zu entwickeln, ist es eine Hürde, über die sie häufig diskutieren, wie die Daten gesammelt und verarbeitet werden. Die Biene oder der Bienenschwarm könnte einen Teil der Datenverarbeitung selbst durchführen und Daten über codierte Lichtimpulse gemeinsam an eine Basisstation senden, um eine gründliche Datenverarbeitung durchzuführen.
Michael Olsen, außerordentlicher Professor für Geomatik an der Oregon State University, arbeitet mit LIDAR zusammen, um Topographie und Geländekartierung zu untersuchen. Dabei werden hauptsächlich bodengestützte Scanner verwendet, um die Küstenerosion, die Sicherheit von Brücken und die Erdbebentechnik zu untersuchen. Die mangelnde Fähigkeit, einen vollständigen Datensatz zu erfassen, sei eine große Einschränkung bei herkömmlichen LIDAR-Systemen.
„Aufgrund von Einschränkungen der Sichtlinie haben wir unweigerlich Lücken in unseren Daten“, sagt Olsen. „Diese RoboBees wären möglicherweise sehr nützlich, um einige dieser Lücken zu schließen und ein vollständigeres Modell zu erstellen. Die Verkleinerung eines aktiven Lasersystems wie Lidar ist eine ziemliche Herausforderung, und was die Forscher hier in Angriff nehmen, ist ein völlig neuer Maßstab. Es hört sich so an, als hätten sie einige sehr interessante Lösungen für Leistungs-, Gewichts- und Größenbeschränkungen gefunden. “
Vollständig erkannt, könnte ein Schwarm von Bienendrohnen mit Mikrololidar-Ausstattung in einem dichten Wald um Bäume fliegen, um die Struktur jedes Baums besser zu erfassen, oder unter den Streben einer Brücke, die mit herkömmlichen Techniken nur schwer zu scannen sind.
Während Lidar derzeit für Forschungs- und Industrieanwendungen verwendet wird, könnte es für viele Anwendungen zu Hause oder in der Medizin eingesetzt werden. Haussuchende könnten Zugang zu einer vollständigen 3D-Darstellung eines zu verkaufenden Hauses haben und die genauen Abmessungen der Räume kennen, um zu planen, wie Möbel passen könnten. Such- und Rettungseinsätze könnten durch kleine Räume innerhalb eingestürzter Strukturen kämmen. Heimbasierte Systeme können erkennen, ob etwas nicht am richtigen Ort ist oder fehlt oder in welchem Maße sich die Erde nach einem Erdrutsch oder einem Erdbeben verschoben hat. Und Bodybuilder oder Gewichtsverlust-Suchende könnten regelmäßige und detaillierte Scans ihres Körpers erhalten, um das Ausmaß ihres Fortschritts zu erfahren.
Dantu und Koppal geben zu, dass diese Art von Anwendungen noch viele Jahre in der Zukunft liegen, dass die praktische Natur der Technologie jedoch vielversprechend ist.
„Wenn Sie mit dem RoboBee etwas machen können, können Sie es überall machen“, sagt Koppal. „Microlidar kann überall dort eingesetzt werden, wo normales Lidar verwendet wird. In der Landwirtschaft und in der Industrie gibt es alle Arten von Anwendungen, bei denen Lidar bereits zur Kartierung der Fabrik oder des Betriebs verwendet wird. In vielen Fällen ist kleiner und billiger einfach besser. “
Und denken Sie daran, diese Laser sind keine leistungsstarken Zapper. RoboBees werden sie nicht dazu verwenden, sich zu teilen und zu erobern - nur um eine genauere Sicht auf die Welt um sie herum zu erhalten.
