科學(xué)家發(fā)明首款如“超人”一樣輕松飛行的人形機(jī)器人可用于火災(zāi)、洪水等事故救援

最近，意大利理工學(xué)院的科研人員在機(jī)器人研究領(lǐng)域獲得關(guān)鍵性突破，他們即將開(kāi)發(fā)出能夠在空中自由飛行的機(jī)器人。

一旦該機(jī)器人試驗(yàn)成功，它就可以像“超人”一樣，在摩天大樓之間輕松飛行，甚至可以應(yīng)用于火災(zāi)、洪水等突發(fā)事故的救援。

2021年12月19日，相關(guān)論文以《基于動(dòng)量的多體飛行機(jī)器人推力估算擴(kuò)展卡爾曼濾波》為題發(fā)表，由意大利理工大學(xué)人工智能和機(jī)械智能實(shí)驗(yàn)室研究員丹尼爾·普奇擔(dān)任通訊作者。

該項(xiàng)研究的核心負(fù)責(zé)人之一丹尼爾·普奇表示：“我們這項(xiàng)研究工作早在2016年前后就開(kāi)始構(gòu)思，團(tuán)隊(duì)成員不希望僅僅局限于地面等傳統(tǒng)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，還希望向不同的應(yīng)用空間做延伸，經(jīng)過(guò)大量的討論之后，團(tuán)隊(duì)一致提出開(kāi)發(fā)飛行式機(jī)器人?！?/p>

要開(kāi)發(fā)飛行類(lèi)機(jī)器人并非易事，挑戰(zhàn)之一是如何直接測(cè)量機(jī)器人的推力。于是，該團(tuán)隊(duì)設(shè)想，能否利用機(jī)載傳感器收集的數(shù)據(jù)對(duì)推力強(qiáng)度進(jìn)行估算。經(jīng)過(guò)一定量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有更好測(cè)量途徑的情況下，這種方法行之有效。

為了進(jìn)一步高效地控制飛行機(jī)器人及相關(guān)組件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，丹尼爾·普奇及同事進(jìn)一步對(duì)可靠的螺旋槳推力系統(tǒng)做了研究，進(jìn)而讓飛行機(jī)器人在空中穩(wěn)定移動(dòng)，讓飛行狀態(tài)可控。

該團(tuán)隊(duì)此次研究成果主要針對(duì)上述痛點(diǎn)提出， 這次新的技術(shù)突破，讓該團(tuán)隊(duì)可以在沒(méi)配置推力測(cè)量傳感器的情況下，飛行機(jī)器人的強(qiáng)度可以具體測(cè)量，對(duì)其在空中的可控運(yùn)行具有十分重要的意義。

丹尼爾· 普奇表示： “ 機(jī)器人一旦具備了飛行的能力，就可以在城市中兩個(gè)密集的建筑物之間飛行，從而避免因建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致的人員傷亡。不僅如此，該機(jī)器人還可以應(yīng)用于水災(zāi)等條件惡劣的自然災(zāi)害?！?/p>

與之前的機(jī)器人版本相比， 由于不需要在飛行機(jī)器人噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝推力傳感器，所以，此次開(kāi)發(fā)的噴氣式動(dòng)力飛行機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加簡(jiǎn)單，制作成本也更低 。

該飛行機(jī)器人最大的亮點(diǎn)是， 將兩種不同的信息源進(jìn)行了組合。

第一個(gè)信息源是將飛行機(jī)器人上噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)指令與推力進(jìn)行關(guān)聯(lián)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立一個(gè)與防火、防彈室類(lèi)似的裝置，對(duì)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以收集輸入/輸出數(shù)據(jù)。

第二個(gè)信息源來(lái)是飛行機(jī)器人的“質(zhì)心動(dòng)量”，旨在通過(guò)制備人工智能系統(tǒng)，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)操控及數(shù)據(jù)估算的目的。如果第二個(gè)信息源可以精確控制，這個(gè)估算指標(biāo)可以對(duì)飛行機(jī)器人起飛前后的推力和垂直加速度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

然而，這兩個(gè)信息源在不同飛行狀態(tài)下存在一定的局限性，比如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能受環(huán)境的影響。該團(tuán)隊(duì)利用卡爾曼濾波等方法來(lái)解決它們各自的缺陷，這套方法可以對(duì)幾乎所有飛行的人行機(jī)器人進(jìn)行操控，為了進(jìn)一步評(píng)估這種新框架是否有效，該團(tuán)隊(duì)還集成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

丹尼爾·普奇表示：“對(duì)帶有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行機(jī)器人研究并非易事，因?yàn)閲姎鉁囟群涂諝馑俣龋?分別需要達(dá)到7 0 0 攝氏度、1800公里/小時(shí)，我們必須克服傳統(tǒng)機(jī)器人所面臨的難題。”

據(jù)悉，他們的這項(xiàng)工作已經(jīng)持續(xù)了一段時(shí)間，之所以沒(méi)有提早向市場(chǎng)公布，主要考慮以上因素的影響。

雖然這款新型飛行機(jī)器人僅在推力方面取得了重大進(jìn)展，但是它的應(yīng)用延展性卻十分廣泛。這種推力評(píng)估系統(tǒng)在各種身體結(jié)構(gòu)的飛行機(jī)器人上皆適應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)他們的研究工作充滿(mǎn)信心。未來(lái)， 他們將設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更適應(yīng)環(huán)境的噴氣飛行機(jī)器人。

值得關(guān)注的是，丹尼爾·普奇所在實(shí)驗(yàn)室還有幾個(gè)研究飛行機(jī)器人相關(guān)組件的團(tuán)隊(duì)，多個(gè)不同背景的團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作，對(duì)該研究成果具有更大的推動(dòng)作用。

丹尼爾·普奇將飛行機(jī)器人的研究分為三個(gè)階段，短期目標(biāo)專(zhuān)注于該款飛行機(jī)器人垂直起降等與飛行有關(guān)的所有整合工作;中期目標(biāo)將借助人工智能和大數(shù)據(jù)等手段， 對(duì)推力系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估;長(zhǎng)期目標(biāo)旨在將空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)用于飛行控制系統(tǒng)，構(gòu)建流體動(dòng)力學(xué)模型。

如果飛行機(jī)器人的噴氣推力系統(tǒng)能夠提前獲得進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的飛行機(jī)器人將為偏遠(yuǎn)山區(qū)的各類(lèi)產(chǎn)品的交付帶來(lái)令人興奮的期待。