En el futuro, se podrían desplegar pequeños robots voladores para ayudar en la búsqueda de supervivientes atrapados bajo los escombros tras un terremoto devastador. Como insectos reales, estos robots podrían desplazarse por espacios reducidos a los que los robots más grandes no pueden acceder, mientras esquivan obstáculos estacionarios y escombros que caen.

Hasta ahora, los microrobots aéreos sólo podían volar lentamente, siguiendo trayectorias suaves, lejos del vuelo rápido y ágil de los insectos reales, hasta ahora.

Investigadores del MIT han desarrollado microrrobots aéreos capaces de volar con una velocidad y agilidad comparables a las de sus homólogos biológicos. Un equipo colaborativo diseñó un nuevo controlador basado en IA para el insecto robótico, que le permitió seguir trayectorias de vuelo gimnásticas, como realizar volteretas continuas.

Con un esquema de control de dos partes que combina alto rendimiento con eficiencia computacional, la velocidad y la aceleración del robot aumentaron en aproximadamente un 450 por ciento y un 250 por ciento, respectivamente, en comparación con las mejores demostraciones anteriores de los investigadores.

El veloz robot fue lo suficientemente ágil como para completar 10 saltos mortales consecutivos en 11 segundos, incluso cuando las perturbaciones del viento amenazaron con desviarlo de su curso.

“Queremos poder usar estos robots en escenarios en los que los robots cuadricópteros más tradicionales tendrían dificultades para volar, pero que los insectos podrían abordar. Ahora, con nuestro sistema de control bioinspirado, el rendimiento de vuelo de nuestro robot es comparable al de los insectos en términos de velocidad, aceleración y ángulo de cabeceo. Este es un paso muy emocionante hacia ese objetivo futuro”, afirma Kevin Chen, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), jefe del Laboratorio de Robótica Blanda y Micro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) y coautor principal de un artículo sobre el robot.

Chen colabora en el artículo con los coautores principales Yi-Hsuan Hsiao, estudiante de posgrado del MIT en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS); Andrea Tagliabue, doctora en la promoción de 2024; y Owen Matteson, estudiante de posgrado del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica (AeroAstro); así como con Suhan Kim, estudiante de posgrado del EECS; Tong Zhao, MEng en la promoción de 2023; y el coautor principal Jonathan P. How, profesor Ford de Ingeniería en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica e investigador principal del Laboratorio de Sistemas de Información y Decisión (LIDS). La investigación se publica hoy en Science Advances.

Un controlador de IA

El grupo de Chen ha estado construyendo insectos robóticos durante más de cinco años.

Recientemente desarrollaron una versión más resistente de su pequeño robot, un dispositivo del tamaño de un microcassette que pesa menos que un clip. La nueva versión utiliza alas más grandes y ágiles que permiten movimientos más ágiles. Se mueven gracias a un conjunto de músculos artificiales blandos que las mueven a una velocidad extremadamente rápida.

Pero el controlador —el “cerebro” del robot que determina su posición y le dice dónde volar— fue ajustado manualmente por un humano, lo que limitó el rendimiento del robot.

Para que el robot volara rápida y agresivamente como un insecto real, necesitaba un controlador más robusto que pudiera tener en cuenta la incertidumbre y realizar optimizaciones complejas rápidamente.

Un controlador de este tipo requeriría demasiado esfuerzo computacional para ser implementado en tiempo real, especialmente dada la complicada aerodinámica del robot liviano.

Para superar este desafío, el grupo de Chen unió fuerzas con el equipo de How y, juntos, crearon un esquema de control de dos pasos impulsado por IA que proporciona la robustez necesaria para maniobras complejas y rápidas, y la eficiencia computacional necesaria para la implementación en tiempo real.

Los avances de hardware impulsaron el controlador, lo que nos permitió ampliar nuestra capacidad de software, pero al mismo tiempo, a medida que el controlador se desarrollaba, se podía hacer más con el hardware. A medida que el equipo de Kevin demuestra nuevas capacidades, nosotros demostramos que podemos aprovecharlas, afirma How.

Para el primer paso, el equipo construyó lo que se conoce como un controlador predictivo de modelos. Este potente controlador utiliza un modelo matemático dinámico para predecir el comportamiento del robot y planificar la serie óptima de acciones para seguir una trayectoria de forma segura.

Si bien requiere un alto nivel de computación, puede planificar maniobras complejas como saltos mortales, giros rápidos e inclinaciones corporales agresivas. Este planificador de alto rendimiento también está diseñado para considerar las limitaciones de fuerza y ​​torque que el robot podría aplicar, lo cual es esencial para evitar colisiones.

Por ejemplo, para realizar múltiples volteretas seguidas, el robot tendría que desacelerar de tal manera que sus condiciones iniciales fueran exactamente las adecuadas para realizar la voltereta nuevamente.

"Si se producen pequeños errores e intentas repetir el giro diez veces con esos pequeños errores, el robot simplemente se estrellará. Necesitamos un control de vuelo robusto", dice How.

Utilizan este planificador experto para entrenar una "política" basada en un modelo de aprendizaje profundo, que controla el robot en tiempo real mediante un proceso llamado aprendizaje por imitación. Una política es el motor de toma de decisiones del robot, que le indica dónde y cómo volar.

Básicamente, el proceso de aprendizaje por imitación comprime el potente controlador en un modelo de IA computacionalmente eficiente que puede funcionar muy rápido.

La clave fue tener una forma inteligente de crear suficientes datos de entrenamiento para enseñarle a la política todo lo que necesita saber para realizar maniobras agresivas.

“El método de entrenamiento robusto es el ingrediente secreto de esta técnica”, explica How.

La política impulsada por IA toma las posiciones del robot como entradas y emite comandos de control en tiempo real, como fuerza de empuje y pares.

Actuación similar a la de un insecto

En sus experimentos, este enfoque de dos pasos permitió al robot, con dimensiones de insecto, volar un 447 % más rápido, con un aumento del 255 % en la aceleración. El robot logró completar 10 volteretas en 11 segundos, y el diminuto robot nunca se desvió más de 4 o 5 centímetros de su trayectoria planificada.

“Este trabajo demuestra que los robots blandos y microrrobots, tradicionalmente limitados en velocidad, ahora pueden aprovechar algoritmos de control avanzados para lograr una agilidad cercana a la de los insectos naturales y robots más grandes, abriendo nuevas oportunidades para la locomoción multimodal”, dice Hsiao.

Los investigadores también pudieron demostrar el movimiento sacádico, que ocurre cuando los insectos se lanzan con mucha agresividad, vuelan rápidamente a una posición determinada y luego se lanzan en sentido contrario para detenerse. Esta rápida aceleración y desaceleración ayuda a los insectos a localizarse y ver con claridad.

"Este comportamiento de vuelo biomimético podría ayudarnos en el futuro cuando comencemos a colocar cámaras y sensores a bordo del robot", dice Chen.

Añadir sensores y cámaras para que los microrobots puedan volar al aire libre, sin estar conectados a un sistema complejo de captura de movimiento, será un área importante de trabajo futuro.

Los investigadores también quieren estudiar cómo los sensores a bordo podrían ayudar a los robots a evitar colisiones entre sí o coordinar la navegación.

"Para la comunidad de microrobótica, espero que este artículo marque un cambio de paradigma al demostrar que podemos desarrollar una nueva arquitectura de control que sea de alto rendimiento y eficiente al mismo tiempo", afirma Chen.

“Este trabajo es especialmente impresionante porque estos robots aún realizan volteretas precisas y giros rápidos a pesar de las grandes incertidumbres que surgen de las tolerancias de fabricación relativamente grandes en la fabricación a pequeña escala, ráfagas de viento de más de 1 metro por segundo e incluso su correa de potencia envolviéndose alrededor del robot mientras realiza volteretas repetidas”, dice Sarah Bergbreiter, profesora de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, que no participó en este trabajo.

Aunque el controlador actualmente se ejecuta en una computadora externa en lugar de estar integrado en el robot, los autores demuestran que políticas de control similares, aunque menos precisas, podrían ser viables incluso con la computación más limitada disponible en un robot a escala de insecto. Esto es emocionante porque apunta a futuros robots a escala de insecto con una agilidad similar a la de sus contrapartes biológicas, añade.

Esta investigación está financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, MathWorks y la Beca Zakhartchenko.

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