Команда з Університету Осаки в Японії та Університету Діпонегоро в Індонезії розробила систему автономної навігації, яка дозволяє «електронно посиленим» тарганам у реальному часі розпізнавати тип рельєфу й використовувати свою природну здатність до лазіння, а не автоматично об’їжджати кожну перешкоду. Про роботу повідомляє видання Scienmag.
Такий підхід може відкрити шлях до створення менших і енергоефективніших пошуково-рятувальних платформ, здатних проникати в завали будівель, вузькі ходи та інші середовища, де звичайним роботам працювати важко.
Як працюють кіборг-комахи
Кіборг- комахи поєднують біологічні можливості живої тварини з мініатюрною електронікою, закріпленою на її тілі. У цьому дослідженні тарганів оснастили системою керування, яка через електричну стимуляцію впливає на їхній рух, але при цьому залишає в роботі їхні власні ноги, механіку тіла та інстинктивну поведінку.
На відміну від повністю штучних роботів, комахи вже мають дуже ефективну ходу, високу пристосовуваність до середовища та здатність дертися по поверхнях без складних механічних вузлів. Завданням було навчитися спрямовувати ці природні можливості, не «глушачи» їх.
Чому стандартна навігація не підходить
Більшість автономних систем навігації спираються на простий принцип: виявити перешкоду та об’їхати її. Для колісних або жорстких роботів це логічно, але для комахи, яка вміє лазити, така стратегія не завжди оптимальна.
Стіна, бордюр чи похила конструкція можуть бути бар’єром для класичного робота, але для таргана — цілком прохідним маршрутом. Якщо змушувати комаху обходити такі об’єкти, це створює зайві гачки, забирає час і зменшує площу, яку вона встигає обстежити.
Тому дослідники прагнули створити навігацію, яка відрізняє перешкоди, що справді потребують обходу, від рельєфу, який комаха може подолати природним чином.
ШІ, що «відчуває» рельєф під лапками
Нова система поєднує кілька поведінкових команд: рух до цілі, уникнення перешкод, рух уздовж стін і реактивне лазіння. Ці команди координуються через електричну стимуляцію, яка спонукає таргана змінювати напрямок або рухатися вперед.
Попередні версії таких контролерів мали ключове обмеження: вони могли впливати на рух, але не «розуміли», по якій саме поверхні зараз іде комаха. Під час лазіння контролер іноді продовжував подавати сигнали кермування так, ніби тарган рухається по рівній підлозі. Це призводило до вагань, нестійкого руху та неефективного просування.
Щоб розв’язати цю проблему, дослідники додали модуль штучного інтелекту на основі багатошарового перцептрона — різновиду нейромережі, яку часто застосовують для класифікації сенсорних даних. Система аналізує сигнали з датчиків на тілі кіборг-таргана й відносить навколишній рельєф до категорій: рівна поверхня, підйом, спуск або отвір.
Замість детальної карти середовища контролер ухвалює швидкі локальні рішення, спираючись на безпосередній фізичний досвід комахи. Це робить підхід реактивним і придатним для сильно пошкоджених чи непередбачуваних просторів, де класичне картування малоефективне.
В офлайн-тестах класифікатор рельєфу досяг точності близько 92%. Завдяки цьому навігаційний контролер зміг змінювати свою поведінку залежно від поверхні під або перед комахою.
Коли система розпізнавала «лазильний» рельєф, вона зменшувала кількість зайвих команд кермування й дозволяла таргану рухатися за власними локомоторними інстинктами. На більш рівних ділянках контролер знову активніше спрямовував рух. Так утворився своєрідний «розподіл праці» між штучним інтелектом і біологією: алгоритм відповідає за розпізнавання та вибір стратегії, а комаха — за фізичне подолання складного рельєфу.
Біогібридна фізична ШІ-система
Автори описують свій підхід як приклад «біогібридного фізичного ШІ». Це відрізняється від простої установки камери й процесора на маленького робота. Замість того щоб відтворювати кожен рух моторами, шестернями та програмним кодом, система використовує живий організм як частину фізичної архітектури машини.
Ноги таргана, його рефлекси, гнучкість тіла та механіка лазіння виконують функції, які важко мініатюризувати в повністю штучній платформі. Електроніка забезпечує високорівневе керування, але не мусить прораховувати кожен крок чи мікрорух тіла.
Можливі застосування та обмеження
Технологія може виявитися особливо корисною для пошуково-рятувальних операцій, інспекції інфраструктури та дослідження просторів, які надто вузькі, нерівні або небезпечні для більших роботів. Кіборг-комаха потенційно здатна переносити легкі сенсори в завали, промислові конструкції чи замкнені порожнини, споживаючи набагато менше енергії, ніж звичайний автономний апарат.
Водночас до практичного застосування ще далеко. Потрібно поліпшити дальність зв’язку, час роботи від батареї, міцність, вантажопідйомність і надійність у запиленому, вологому, темному середовищі та за екстремальних температур. Нинішні результати — це насамперед крок уперед у навігації, а не готова рятувальна платформа.
Дослідження також відображає ширший тренд у робототехніці: перехід до систем, які співпрацюють із біологічним інтелектом, а не намагаються повністю його замінити. Живі організми еволюційно пристосовані рухатися в захаращених середовищах, використовуючи економні стратегії керування, а їхні тіла часто краще справляються з невизначеністю, ніж інженерні конструкції.
Розпізнаючи, коли варто спрямовувати комаху, а коли дати їй можливість дертися самостійно, нова система зменшує конфлікт між електронним контролем і природною поведінкою. На думку авторів, цей принцип може надихнути майбутні роботизовані платформи, здатні залишатися ефективними в складних умовах, де адаптивність важливіша за ідеальну механічну точність.