Dotato di minuscoli laser per gli occhi, sciami di piccoli droni robot potrebbero presto essere in grado di impollinare i campi di colture, cercare sopravvissuti negli edifici crollati o eseguire misurazioni della qualità dell'aria su grandi aree.
Nel 2012, i ricercatori dell'Università di Harvard hanno fatto notizia quando hanno lanciato un insetto robot, del peso di soli milligrammi, e l'hanno visto volare e atterrare con successo; un anno dopo, è stato in grado di seguire un percorso pre-programmato. Da allora, il RoboBee ha imparato a nuotare, ma c'è ancora un grande divario nelle sue capacità: non riesce a vedere efficacemente.
I ricercatori dell'Università di Buffalo e dell'Università della Florida stanno lavorando per cambiarlo. Nel corso dei prossimi tre anni, con l'aiuto di una sovvenzione da 1, 1 milioni di dollari della National Science Foundation, Karthik Dantu a Buffalo e Sanjeev Koppal in Florida stanno testando modi per ridurre la tecnologia utilizzata nel lidar, o il rilevamento della luce e la portata, per dare ai piccoli drona la capacità di orientarsi verso un obiettivo senza essere guidato da un operatore umano. Sarebbero come l'auto a guida autonoma di Google, solo migliaia di volte più piccole.
"Avevamo bisogno di un sensore di profondità per un comportamento intelligente", afferma Koppal. "Quando pensavamo a quale tipo di tecniche potremmo usare, lidar era in cima alla lista."
Sviluppato negli anni '60 dopo l'invenzione del laser, il lidar funziona come un radar o un sonar, ma con la luce. Impulso una serie di fasci di luce invisibili nell'area circostante, lidar crea un'immagine dettagliata dell'ambiente basata sulla luce rimbalzata ai suoi sensori. Lidar può usare la luce nelle lunghezze d'onda visibili, ultraviolette e nel vicino infrarosso per l'imaging, e le lunghezze d'onda più brevi consentono di misurare particelle minuscole come gli aerosol dispersi nell'aria.
Ma il più piccolo sistema di lidar commerciale pesa 830 grammi, o quasi due libbre, mentre un'ape robot è solo 80 milligrammi, più leggera di una piccola graffetta. In altre parole, la creazione di capacità microlidari richiede una riduzione del livello di Ant-Man.
Le telecamere convenzionali non potevano essere usate, spiega Dantu, perché i robot sono troppo piccoli: la percezione della profondità con le telecamere richiede che siano distanziate di una distanza minima, come gli occhi, e non c'è proprio quel tipo di spazio sul drone. Catturare e analizzare i fasci di luce per percepire la distanza e la profondità era il percorso logico, in quanto si basa sulla raccolta della luce da qualsiasi direzione. Inoltre, le fotocamere e l'elaborazione delle immagini consumano molta energia, il che è anche un premio per i RoboBees. Circa il 97 percento del budget di potenza totale a bordo di un'ape robot viene consumato dal volo; i sistemi di elaborazione e rilevamento possono combattere con altri sistemi per gli avanzi.
Con la concessione, Koppal sta progettando nuovi sensori leggeri e Dantu sta lavorando su algoritmi matematici per aiutare quei sensori a utilizzare al meglio i dati raccolti. Un collega di Koppal in Florida, Huikai Xie, sta lavorando alla costruzione degli emettitori laser necessari.
In primo luogo, i ricercatori useranno uno specchio con ottica grandangolare sul drone per raccogliere impulsi laser da una stazione base lidar remota e mettere a punto l'algoritmo adeguato per i sensori con tali dati. Il secondo passo è montare un diodo laser sul drone stesso, alimentato tramite cavo a una stazione base o batteria. Da lì, l'obiettivo finale è quello di ottenere tutto alimentato internamente.
(Microbiotics Lab, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences e Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Microlidar potrebbe essere utilizzato nelle sonde endoscopiche, gli strumenti simili a bacchette utilizzati durante l'intervento chirurgico che attualmente impiegano gli ultrasuoni per visualizzare gli organi interni e le strutture del corpo. Un intero sciame di api robotizzate potrebbe monitorare l'inquinamento dell'aria, le condizioni meteorologiche o il traffico su una vasta area. Qualsiasi disciplina che attualmente impiega il lidar potrebbe potenzialmente beneficiare, tra cui la mappatura topografica, il rilevamento di difetti sismici, l'identificazione di depositi minerali non scoperti, la pianificazione architettonica e la manutenzione delle fognature.
Sebbene Dantu e Koppal si stiano concentrando sulla realizzazione di un sistema lidar realizzabile per il drone, il modo in cui i dati verranno raccolti ed elaborati è un ostacolo di cui discutono spesso. L'ape o sciame di api potrebbe eseguire autonomamente una parte dell'elaborazione dei dati, nonché trasmettere collettivamente i dati tramite impulsi di luce codificati a una stazione base per un calcolo approfondito.
Michael Olsen, professore associato di geomatica alla Oregon State University, lavora con lidar per studiare la topografia e la mappatura del terreno, utilizzando principalmente scanner a terra per esaminare l'erosione costiera, la sicurezza dei ponti e l'ingegneria sismica. Dice che la mancanza di capacità di raccogliere un set di dati completo è un grande vincolo con i sistemi lidar convenzionali.
"Abbiamo inevitabilmente lacune nei nostri dati a causa di vincoli di linea di vista", afferma Olsen. "Questi RoboBee potrebbero essere molto utili per aiutare a colmare alcune di queste lacune per produrre un modello più completo. Il ridimensionamento di un sistema laser attivo, come il lidar, è una vera sfida, e ciò che i ricercatori stanno affrontando qui è una scala completamente nuova. Sembra che abbiano escogitato alcune soluzioni molto interessanti per vincoli di potenza, peso e dimensioni. "
Completamente realizzato, uno sciame di droni di api equipaggiati con microlidar potrebbe volare attorno agli alberi in una fitta foresta per catturare meglio la struttura di ogni albero, o sotto i montanti di un ponte, scansioni difficili da realizzare con le tecniche convenzionali.
Mentre il lidar è attualmente utilizzato per la ricerca e le applicazioni industriali, il microlidar potrebbe avere molti usi domestici o medici. I cacciatori di case potrebbero avere accesso a un rendering 3D completo di una casa in vendita e conoscere le dimensioni esatte delle stanze per pianificare come potrebbero adattarsi i mobili. Le missioni di ricerca e salvataggio potrebbero attraversare piccoli spazi all'interno di strutture crollate. I sistemi domestici possono rilevare se qualcosa è fuori posto o mancante o il grado in cui la terra si è spostata dopo una frana o un terremoto. E culturisti o persone in cerca di perdita di peso potrebbero ottenere scansioni regolari e dettagliate dei loro corpi per conoscere l'entità dei loro progressi.
Dantu e Koppal ammettono che questo tipo di applicazioni sono ancora molti anni in futuro, ma che la natura pratica della tecnologia è promettente.
"Se riesci a fare qualcosa su RoboBee, puoi farlo ovunque", afferma Koppal. “Microlidar potrebbe funzionare ovunque venga utilizzato il lidar normale. Esistono tutti i tipi di applicazioni in agricoltura e industria in cui le persone usano già il lidar per mappare il pavimento della fabbrica o la fattoria. In molti casi, più piccolo ed economico è semplicemente meglio. "
E ricorda, questi laser non sono zapper ad alta potenza. I RoboBees non li useranno per dividere e conquistare, solo per avere una visione più accurata del mondo che li circonda.
