A repülő robotok jövője | Vijay Kumar | TEDxPenn

Vijay Kumar és csapata a pennsylvaniai egyetemi laborjukban önálló légi robotokat fejlesztett ki. amelyekhez a méhek adták az ihletet. Legutóbbi átütő sikerű fejlesztésük eredménye a precíziós mezőgazdaság, amelyben robotok raja föltérképezi, rekonstruálja és elemzi a gyümölcsöskert minden növényét és gyümölcsét, s ezzel létfontosságú tájékoztatást nyújt a gazdáknak, amellyel elősegítheti a terméshozam növelését és a vízgazdálkodás javítását.

Ez az előadás egy helyi TEDx rendezvényen hangzott el, amelyet a TED konferenciáktól függetlenül szerveztek.
Bővebben ld.: http://ted.com/tedx

A laboromban önálló
légi robotokat építünk.

Olyanokat, mint amely itt röpköd.

A kereskedelemben ma kapható
drónoktól eltérően

ebben a robotban egyáltalán nincs GPS.

GPS nélkül

az ilyen robotnak nem könnyű
meghatároznia a helyzetét.

Ez a robot a benne lévő érzékelőket -
kamerákat és lézerszkennereket - használja

a környezetének letapogatására.

Észleli a környezet jellegzetességeit,

s a helyzetét hozzájuk képest
határozza meg

a háromszögelés módszerével.

Azután a robot ezeket
a jellegzetességeket térképbe egyesíti.

Mögöttem ezt láthatják.

A robot a térképből tudja,
hogy hol vannak akadályok,

és ütközés nélkül kormányozza magát.

Szeretnék a következőkben bemutatni

a laborunkban elvégzett néhány kísérletet,

amelyben a robot nagyobb távolságok
megtételére volt képes.

A jobb fölső sarokban látják,
hogy mit észlel a robot kamerája.

A nagy képernyőn —

persze, négyszeresére fölgyorsítva —,

ahogy a robot kidolgozza a térképet.

Ez a nagy felbontású térkép
laborunk folyosóját ábrázolja.

Mindjárt látják, ahogy beröpül a laborba,

láthatják az okozott zűrzavarból.

(Nevetés)

De mindebben a lényeg,

hogy a robotok 5 centi felbontású,

azaz nagy felbontású térképek
kidolgozására képesek,

ami a laboron vagy az épületen kívül
tartózkodóknak is lehetővé teszi

a térképezést, s ehhez nem kell bemenniük.

Így következtetni tudnak arra,
mi történik bennük.

Ám ezekkel a robotokkal
van egy pár bökkenő.

Az első gond, hogy elég nagy.

Mivel nagy, súlyos is.

Ezek a robotok kilogrammonként
220 wattot fogyasztanak.

Ezért csak rövid távú
feladatokra alkalmasak.

A másik gond,

hogy a robotokban lévő érzékelők:
a kamera, a lézerszkenner,

valamint a processzorok nagyon drágák.

Ez az egekbe viszi a robot árát.

Így hát föltettük magunknak a kérdést:

milyen készterméket vehetünk
elektronikai boltokban,

amely olcsó, pihekönnyű,
van rajta érzékelő és számítógép?

És föltaláltuk a repülő mobiltelefont.

(Nevetés)

Tehát robotunk készen kapható
Samsung Galaxy okostelefont használ,

és csak egy áruházunkból letölthető
alkalmazás kell még hozzá.

Most a robot a TED betűit olvassa be,

figyeli a "T' és az "E" betűk sarkait,

azután belőlük háromszögeléssel
kiindulva önállóan repül.

A botkormány csak azért van itt,
hogy ha a robot meghülyülne,

Giuseppe tudja semlegesíteni.

(Nevetés)

A kis robotok építésén kívül még

kísérleteztünk az itt látható
energikus viselkedéssel is.

Ez a robot 2-3 m/sec sebességgel repül,

irányváltás közben zuhanva és keringve.

A lényeg, hogy kisebb,
gyorsabb robotunk lehet,

amely nagyon tagolt környezetben is repül.

A következő filmen

egy sast látnak, amint kecsesen
összehangolja a szárnya, szeme

és lába mozgását,
hogy kikapja zsákmányát a vízből.

A mi robotunk is tud menni halászni.

(Nevetés)

Esetünkben egy sajtos-sztékes
szendvicset kap el a levegőből.

(Nevetés)

Látják, hogy ez a robot
kb. 3 m/sec sebességgel mozog,

ez nagyobb, mint egy gyaloglóé;
közben összehangolja karját, karmait

és repülését hajszálpontos időzítéssel,
hogy végrehajtsa a műveletet.

Egy másik kísérletben

azt akarom bemutatni,
hogyan szabályozza a robot a mozgását,

ha függő teherrel repül.

A felfüggesztés itt hosszabb,
mint a keret magassága.

A végrehajtás érdekében a robotnak

le kell buknia, be kell állítania
a magasságát,

és át kell lendítenie a terhet a kereten.

De mindezt szerettük volna

még kisebben is megcsinálni,
s ehhez a méhektől kaptunk ihletet.

Ha a lassított felvételen
figyeljük a méheket,

annyira parányiak,
a tehetetlenségük leheletnyi...

(Nevetés)

nem érdekli őket...

például visszapattannak a kezemről.

Ez a pici robot a méhek
viselkedését utánozza.

A kisebb egyben jobb is,

mert a kisebb mérettel együtt jár
a kisebb tehetetlenség.

A kisebb tehetetlenség mellett

(A robot zümmög, nevetés)

pedig ellenállóbbak az ütközéssel szemben.

Ezáltal masszívabbak.

A méhekhez hasonló méretű
ilyen kis robotokat építünk.

Konkrétan ennek csak 25 gramm a súlya.

Csak 6 wattot fogyaszt.

Maximum 6 m/sec sebességre képes.

A méretéhez képest ez olyan,

mintha a Boeing 787
tízszeres hangsebességgel repülne.

(Nevetés)

Egy példát szeretnék mutatni.

Bizonyára ez az első, tervezett légi
ütközés, a sebesség huszadára lassítva.

A robotok egymáshoz viszonyított
sebessége 2 m/sec,

és a film szemlélteti az alapelvet.

A kétgrammos szénszálas ketrec
a robot körül óvja a légcsavarokat,

elnyeli az ütközést, s a robot reagál rá.

Tehát a kicsi egyben biztonságos is.

A laboromban a robotok fejlesztését

ezekkel a nagy robotokkal kezdtük,

mostanra viszont elértünk
ezekhez a kicsikhez.

Mennyi ragtapaszt kellett
vennünk a múltban!

Mára ezzel már leállhattunk.

Mert e robotok tényleg biztonságosak.

A kis méretnek vannak hátrányai is,

de a természet módot talált
az ellensúlyozásukra.

Az alapgondolat: nagy csoportokba,
azaz rajokba szerveződnek.

Ugyanígy, a laborban igyekszünk
mesterséges robotrajokat kialakítani.

Nem könnyű feladat,

mert most már robotok hálózatával
van dolgunk.

Minden robot esetében

gondoskodnunk kell a kommunikáció, az
érzékelés,és a számítások összhangjáról,

és ettől hálózatot elég nehéz lesz
szabályozni és kezelni.

Tehát a természettől
3 szervezőelvet kölcsönöztünk,

amely lehetővé teszi
az algoritmusaink fejlesztését.

Az első elv: a robotoknak
figyelemmel kell lenniük a szomszédjaikra.

Érzékelniük kell őket,
és kommunikálni kell velük.

A film szemlélteti az alapelvet.

Négy robotunk van,

egyiküket egy irányító személy
szó szerint eltérítette.

De a robotok kapcsolatban
vannak egymással,

így érzékelik a szomszédjaikat,

és követik egymást.

Egy személy vezetni képes
a követők hálózatát.

Megint csak: nem azért, mintha
mindegyik tudná, merre kell mennie,

hanem azért, mert reagálnak
a szomszédjaik helyzetére.

(Nevetés)

A következő kísérlet szemlélteti
a második szervezőelvet.

Ez pedig az ismeretlenség
elvével kapcsolatos.

A fő gondolat,

hogy a robotok kétkedők
a szomszédjaik kilétét illetően.

Kört kellett alakítaniuk,

és nem számít, hány robotot
iktatunk be az alakzatba

vagy veszünk ki belőle,

minden robot a szomszédjára reagál.

Azt tudja csak,
hogy szomszédaival közösen,

kört alakítva kell mozogniuk,

anélkül, hogy kívülről irányítanák őket.

Ha összerakjuk ezeket az elveket,

a harmadik elv, hogy alapvetően
a kívánt alakzat matematikai leírását

adjuk meg robotjaink számára.

Azután az alakzatok
az idő függvényében változhatnak,

s láthatják, hogy a robotok
először köralakot öltenek,

majd négyszögletes formát,
később vonal alakzatot vesznek föl,

utána ismét az ellipszisét.

Egy pillanat alatt váltanak,

ahogy az igazi rajok a természetben.

Miért dolgozunk rajokkal?

Két alkalmazást említek,
amelyek különösen érdekelnek minket.

Az első a mezőgazdasággal kapcsolatos,

ami valószínűleg a legnagyobb
probléma a világon.

Mindannyian jól tudjuk,

hogy minden hetedik ember éhezik.

A megművelhető földek zömét
már eddig is művelték.

A legtöbb rendszer hatékonysága növekszik,

de a termelési rendszereké
viszont csökken.

A fő ok a vízhiány, az éghajlatváltozás
és a növénybetegségek,

meg még egy pár dolog.

Mit tehetnek a robotok?

Nos, mi az ún. precíziós mezőgazdaság
módszerét alkalmazzuk.

Az alapelv, hogy a légi robotok
berepülik a gyümölcsösöket,

és mi létrehozzuk
az egyes növények precíziós modelljét.

Mint a személyre szabott gyógyításban,

ahol minden beteget egyéni módon kezelnek.

Szeretnénk létrehozni
az egyes növények modelljét,

azután közölni a gazdával,
melyik növény mit igényel;

esetünkben vizet, trágyát
vagy növényvédő szert.

Itt a robotok az almáskertet járják be,

és egy pillanat múlva két társát látják,

amint ugyanazt csinálja a bal oldalon.

Most állítják össze az almáskert térképét.

A térkép tartalmazza a kertben lévő
valamennyi növényt.

(A robot zümmög)

Lássuk, hogy néznek ki a térképek.

A következő film mutatja
a robotokban lévő kamerákat.

A bal felső sarokban
egy szokásos színes kamera van.

Bal oldalon, középtájon
egy infravörös kamera.

Bal oldalon, lenn pedig egy hőkamera.

A nagy képen láthatják
a kertben lévő minden egyes fa

3D-s modelljét, miközben
az érzékelő elszáll a fák mellett.

Olyan információkkal fölfegyverkezve
több dolgot tehetünk.

Az első és valószínűleg
a legfontosabb nagyon egyszerű:

megszámolni az egyes fákon lévő
gyümölcsöket.

Ezúton közöljük a gazdával,
melyik fáról hány gyümölcsre számíthat,

és így megbecsülheti a terméshozamot,

optimalizálhatja az értékesítési láncot.

A másik, amit tehetünk,

hogy modellezhetjük a növényeket,
3D-s modellt készíthetünk,

és abból megítélhetjük
a lombkorona méretét,

ami korrelál az egyes növényen lévő
levelek tömegével.

Ezt nevezzük levélfelületi indexnek.

Ha ismerjük a levélfelületi indexet,

ebből adódik, hogy milyen mértékű
fotoszintézis lehetséges növényenként,

s ez tájékoztat az egyes növények
egészségi állapotáról.

A látható és az infravörös tartományból
nyert információ kombinálásával indexeket,

pl. normalizált vegetációs
differencia indexet számíthatunk.

Jelen esetben látható,

hogy egyes növényeknek
rosszabbul megy a soruk, mint másoknak.

Ez könnyen fölismerhető az ábrákból,

nemcsak a látható zónáéból,
hanem a látható

és az infravörös tartomány
kombinált ábrájából.

Végezetül még egy dolog,

ami érdekel minket, hogy kimutassuk
a klorózist még a kezdeti szakaszban.

Ez egy narancsfa,

amelynek sárgulnak a levelei.

De a felettük elrepülő robotok
ezt egyszerűen és önállóan észlelhetik,

és közölhetik a gazdával, hogy baj van

a kertnek ebben a részében.

Az ilyen rendszerek tényleg segíthetnek,

és olyan terméshozamot tervezünk,
amely kb. 10%-os javulást hoz,

s ami még fontosabb, légi robotrajokkal

az olyan igények, mint az öntözés
25%-kal csökkenthetők.

Egy másik alkalmazási terület
a gyorsreagálás témája.

Ez itt a Pennsylvania Egyetem képe,

jobban mondva a déli részéé,
a South Banké.

Képzeljék el a helyzetet,

amikor segélyhívás érkezik
valamely épületből,

a 911-et hívják.

Mire a rendőrség odaér,
már értékes 5-10 perc telhetett el.

De most képzeljék el,
hogy robotok reagálnak.

A 911-es hívásra egy egész rajnyi robot

repül a helyszínre önállóan

vagy a diszpécser parancsára.

Ha van itt valaki a Szövetségi Légügytől,

közlöm vele: ezt Dél-Amerikában
már lelőtték.

(Nevetés)

Tehát a robotok a helyszínre érnek,

mindnek van lefelé néző kamerája,

megfigyelhetik a helyszínt.

A műveletet önállóan végzik,

úgyhogy mire az első beavatkozó
személy vagy rendőr odaér,

rendelkezésükre áll az összes infó.

Balra fenn látják a nagy képernyőt,

azt látja a diszpécser,

s abból tájékozódik,
merre járnak a robotok,

és hogyan kerítik be az épületet.

A robotok önállóan döntik el,
hogy egy-egy robot

mely ponton hatoljon be.

Jobbra felül láthatók
a robotok felvételei,

mozaikba rendezve.

Ebből a beavatkozó megint csak
fogalmat alkothat arról,

mi történik a helyszínen.

Alul egy 3D-s modell látható,

amelyet repülés közben alakítottunk ki.

Az épületeken kívüli munkán túl

az is érdekel minket,
hogy bejussunk az épületekbe.

Bemutatom egy 3 éve végzett kísérletünket,

amelyben egy pont ilyen légi robot

együttműködik egy földi robottal,

esetünkben tkp. autóstoppolja
a földi robotot,

mert energiatakarékossági okból
lustának programozták.

Tehát ahogy fölszáll,
a két robot tandemben mozog,

Ez egy földrengésben összedőlt épület,

nem sokkal a 2011-es
fukusimai földrengés után.

Mikor a robotok megrekedtek
egy beomlott bejárat előtt,

a miénk fölszáll,
és az akadályok fölé repül,

körülrepüli az akadályokat,

3D-s térképet állít össze, esetünkben
egy könyvszekrényről.

Azt is látja, mi van a másik oldalon.

Ez elég egyszerű, de földi robotokkal
nehéz megcsinálni,

és nyilván nehéz emberekkel,
mikor veszélyhelyzet van.

Tehát ez a két robot együtt
dolgozza ki a térképeket,

és megint mondom,
mire az első beavatkozók megjönnek,

a térképek birtokában
gyorsan intézkedhetnek.

Megmutatom, hogyan néznek ki a térképek.

Ez egy háromszintes épület,

a 7-8. és ami maradt a legfelső, 9. szintből,

s mi össze tudtuk állíttatni
ezt a térképet a két robottal,

amelyek önállóan, tandemben dolgoztak.

Ám a kísérlet lefolytatása
két és fél óráig tartott.

Egyik beavatkozó sem szándékozik

2,5 órát adni a kísérletre,

mielőtt be akar hatolni.

Jó lenne, kapni rá 2,5 percet,

de ha szerencsénk van,
kapunk rá 2,5 másodpercet.

Itt jönnek képbe a robotrajok.

Képzeljék el, hogy 100 ilyen
robotot küldhetnek be,

olyan picikéket,
melyeket az előbb röptettünk.

Képzeljék el, hogy beröpültek,
csináltak egy ilyen térképet

jóval az emberek kiérkezése előtt.

Ez a jövőképünk, efelé tartunk.

Hadd fejezzem be

egy Warner-filmmel

amelyet mostanában mutatnak be
a mozijukban.

A Rajzás c. filmről van szó. Jön!

Tetszik ez a plakát,
valóban, ha már látták a filmet,

azzal elárulják életkorukat,

ha még nem, azt ajánlom, ne nézzék meg.

A film pocsék.

(Nevetés)

Gyilkos méhekről szól, amelyek
az emberekre támadva megölik őket.

A plakáttal kapcsolatban
minden igaz, ezért tetszik.

"A nagysága mérhetetlen" —
remélem, meggyőztem magukat,

hogy "a hatalma végtelen",

és még ez utóbbi is igaz:

"Ellensége az ember",
a technológia rendelkezésünkre áll,

és a hozzánk hasonló emberek állnak

a technológia és alkalmazásai között.

A raj közeleg, s ez nem science fiction,

sőt, már itt van a szemünk előtt.

Búcsúzóul kérem, hogy tapssal
köszöntsék a jövőteremtő kutatóinkat:

Yash Mulgaonkart, Sikang Liút
és Giuseppe Loiannót.

Ők vezették a három itteni bemutatót.

Köszönöm.

(Taps)