Istraživači sa Instituta za tehnologiju Masačusetsa (MIT) razvili su sistem malih autonomnih plovila koja se na vodi samostalno povezuju u veće konstrukcije. Rešenje nazvano FloatForm omogućava robotskim čamcima da obrazuju platforme, mostove i druge strukture, a zatim se razdvoje i sastave u novi oblik, uz minimalno ljudsko upravljanje.
Roboti se povezuju uz pomoć magneta (Foto: Alex Shipps/MIT CSAIL)
Sistem bi u budućnosti mogao da pretvori nedovoljno iskorišćene vodene površine u promenljive delove gradske infrastrukture. Na kanalima, rekama i jezerima mogli bi da se formiraju privremeni prelazi nakon vanrednih događaja, pijace na vodi, pristaništa ili bine koje bi se uklanjale po završetku manifestacija.
Svaki robot ima oblik kvadrata sa stranicom od 21 centimetra, odnosno približno je veličine tanjira. Predstavlja samostalno plovilo opremljeno potisnicima, senzorima i magnetnim spojnicama. Kada više ovakvih jedinica deluje zajedno, one mogu da formiraju čvrstu rešetkastu konstrukciju, kreću se kao jedinstveno plovilo ili menjaju raspored prema potrebama.
Oglas
Daniela Rus, profesorka elektrotehnike i računarstva na MIT-u i direktorka Laboratorije za računarske nauke i veštačku inteligenciju (CSAIL), objasnila je da FloatForm predstavlja viziju obale kao programabilnog produžetka grada. Autonomni čamci mogli bi, prema njenim rečima, da po potrebi organizuju mostove, platforme i druge korisne objekte.
Distribuirana robotika tako otvara mogućnosti za unapređenje mobilnosti, reagovanje u vanrednim situacijama i stvaranje javnih prostora i infrastrukture na vodi.
Wei Wang, vodeći autor naučnog rada i nekadašnji istraživač MIT-a, koji sada rukovodi Laboratorijom za pomorsku robotiku na Univerzitetu Viskonsin–Medison, naveo je da tehnologija praktično pretvara statične vodene površine u dinamične i programabilne prostore. To bi značilo da javni prostor više ne mora da ima nepromenljive granice, već može samostalno da se proširuje, smanjuje ili prilagođava aktuelnim potrebama.
Od projekta Roboat do minijaturne robotske flote
Istraživanje, objavljeno u časopisu Nature Communications i dostupno u otvorenom pristupu, nastalo je u laboratorijama Daniela Rus i Carlo Ratti, profesora urbane tehnologije i planiranja na MIT-u i direktora Senseable City Lab.
FloatForm se nadovezuje na njihov projekat Roboat, realizovan sa Institutom za napredna metropolitanska rešenja iz Amsterdama, u okviru kojeg su autonomna plovila pune veličine ispitivana na amsterdamskim kanalima.
Kanali koji su nekada služili za prevoz robe danas se pretežno koriste u turističke svrhe. Istraživači su zato razmatrali mogućnost njihovog ponovnog uključivanja u funkcionisanje grada, između ostalog za sakupljanje otpada, transport i rasterećenje drumskog saobraćaja.
Niklas Hagemann, student poslediplomskih studija arhitekture na MIT-u i saradnik CSAIL-a, ukazao je na to da urbana područja postaju sve gušće izgrađena. Jedno od pitanja koje je podstaklo razvoj projekta bilo je da li se javni prostor može proširiti na vodene površine koje se trenutno nedovoljno koriste.
FloatForm je ovu zamisao preneo u znatno manju razmeru kako bi istraživači rešili složeniji problem – kako omogućiti desetinama, a jednog dana i hiljadama robota, da se samostalno organizuju.
Vatreni mravi kao inspiracija
Rešenje je pronađeno posmatranjem prirode. Vatreni mravi tokom poplava preživljavaju tako što povezuju tela i obrazuju žive splavove, bez jedne jedinke koja upravlja čitavim procesom. Svaki mrav primenjuje jednostavna pravila u odnosu na neposredno okruženje, a kao rezultat nastaje stabilna i otporna struktura.
Sličan princip primenjen je i kod sistema FloatForm. Za razliku od postojećih samosastavljajućih robotskih sistema, koji se uglavnom oslanjaju na centralni računar, novi pristup najveći deo odlučivanja prebacuje na pojedinačna plovila. Time se smanjuje opasnost da kvar jedne centralne tačke zaustavi čitavu flotu.
Centralni planer koristi se samo povremeno, prvenstveno da svakom robotu dodeli konačno mesto u rešetki i obezbedi geometrijsku preciznost. Kretanje prema zadatom obliku, izbegavanje sudara i reagovanje na poremećaje obavljaju sami roboti, razmenjujući informacije o položaju sa najbližim jedinicama. Umesto da čekaju red, svi se kreću istovremeno.
Složenost proračuna zato zavisi od broja neposrednih suseda jednog robota, a ne od ukupne veličine flote. To omogućava da se sistem proširuje bez značajnog povećavanja vremena potrebnog za formiranje konstrukcije.
Tokom ispitivanja na MIT-u, osam robota više puta je iz nasumičnih položaja sastavljalo zadati oblik, povezivalo se u krutu strukturu, razdvajalo na komandu i ponovo organizovalo u drugačiju konfiguraciju. Potom su se zajedno kretali preko bazena kao jedno plovilo.
Svaki ogled trajao je između četiri i osam minuta, dok su simulacije pokazale da se isti sistem može uspešno primeniti na flotu od 64 robota.
Kada je konstrukcija u režimu zajedničkog transporta, planer određuje putanju celog sklopa, dok svaki robot proračunava sopstveni doprinos kretanju. Istovremeno povezivanje donosi i fizičku prednost: objedinjena struktura stabilnija je pri dejstvu talasa i vodenih struja, slično splavu koji obrazuju mravi.
Magnetni spojevi prema principima origamija
Mehanizam za povezivanje u potpunosti je smešten unutar trupa robota. Jedan servo-motor pokreće auksetičnu strukturu inspirisanu origamijem, koja se ravnomerno skuplja ili širi u svim pravcima. Na taj način trajni magneti na četiri strane uvlače se radi razdvajanja ili izbacuju da bi privukli susednog robota sa udaljenosti od 10 do 15 centimetara.
Magneti imaju naizmenično raspoređene polaritete, zahvaljujući čemu se plovila pravilno povezuju u kvadratnu rešetku. Posebno važna odlika sistema jeste mala potrošnja energije.
Kućište prenosnika izrađeno 3D štampom zadržava spojnicu u otvorenom ili zatvorenom položaju i kada je motor isključen. Energija se zato troši samo prilikom spajanja i razdvajanja, a ne i tokom višesatnog održavanja konstrukcije.
To je značajno jer dimenzije robota ograničavaju veličinu baterije. Ušteda na radu spojnica ostavlja više energije za kretanje i računarske operacije.
Četiri minijaturna potisnika raspoređena u obliku slova X omogućavaju kretanje u svim smerovima i okretanje u mestu. Međutim, njihova snaga u odnosu na malu inerciju plovila izaziva nagle pokrete i nekontrolisano okretanje ranih prototipova.
Istraživači su zato dodali stabilizaciona peraja i prilagodili upravljačke sisteme razlikama koje neizbežno postoje između pojedinačnih robota. Dodatni izazov predstavljali su magneti, koji su držali toliko snažno da su plovila ponekad morala da se rotiranjem oslobode veze.
Sledeći korak – kanali, luke i otvorene vode
U deset serija ispitivanja zadaci su bez ljudske intervencije uspešno završeni u 90 odsto slučajeva sa četiri robota i u 70 odsto pokušaja sa osam jedinica.
Robot koji bi privremeno izgubio orijentaciju mogao je samostalno da se vrati u konstrukciju, dok su jedinice zaglavljene u nepovoljnom rasporedu bile programirane da se pomeranjem oslobode i pokušaju ponovo.
Primena u kanalima ili lukama zahtevaće dodatni razvoj, pošto mala plovila ne mogu da savladaju izrazito nemirnu vodu. Veće verzije moraće da dobiju snažnije spojnice, možda i mehaničko zaključavanje primenjeno na projektu Roboat.
Ultrazvučni sistem pozicioniranja iz laboratorije trebalo bi zameniti GPS-om ili vizuelnim senzorima. Algoritam koordinacije već je projektovan tako da ne zavisi od određene vrste senzora, pa njegova osnovna logika može ostati nepromenjena.
Moguće primene obuhvataju privremene platforme za pregled i održavanje objekata na moru, prilagodljive mreže senzora za praćenje migratornih vrsta, mobilna pristaništa za reagovanje u teško dostupnim područjima, građevinske platforme, ekološki nadzor i naučne ekspedicije.
Kao potencijalne lokacije istraživači navode Veneciju, Holandiju, Belgiju, norveške fjordove i jezera, ali i praktično svaki grad kroz koji protiče reka.
