Исследователи из Италии успешно завершили первый полёт iRonCub3. Робот оторвался от земли примерно на 50 см и оставался стабильным на протяжении всего полёта. Научная статья, подробно описывающая это достижение, была опубликована сегодня в журнале Nature Communications Engineering.
Итальянский технологический институт (IIT) совершил прорыв в области человекоподобных роботов, совершив первый успешный полёт iRonCub3 — первого в мире летающего человекоподобного робота с реактивным двигателем, созданного для использования в реальных условиях. Исследовательская группа проанализировала сложную аэродинамику робота и создала усовершенствованную систему управления его взаимосвязанными частями.
Весь процесс разработки, включая лётные испытания, занял около двух лет. В ходе недавних экспериментов робот поднялся примерно на 50 см над землёй, сохраняя устойчивость. Этот успех является шагом вперёд в создании летающих роботов, которые могут функционировать в сложных условиях, сохраняя при этом человекоподобную форму.
Подробности аэродинамических исследований и работы системы управления были опубликованы в Nature Communications Engineering, журнале с открытым доступом из портфеля Nature. Исследование было проведено робототехниками из IIT в Генуе, Италия, в сотрудничестве с командой Алекса Занотти из аэродинамической лаборатории DAER в Миланском политехническом университете, где были проведены обширные испытания в аэродинамической трубе, и группой Джанлуки Яккарино из Стэнфордского университета, где были разработаны алгоритмы глубокого обучения для моделирования аэродинамики.
Эта демонстрация полёта — новейшая разработка лаборатории искусственного и механического интеллекта (AMI) в Индийском технологическом институте под руководством Даниэле Пуччи. Их работа направлена на расширение возможностей мультимодальных человекоподобных роботов путём интеграции функций ходьбы и полёта, чтобы роботы могли перемещаться в неструктурированных и экстремальных средах.
Инновации в дизайне и оборудовании
iRonCub3 представляет собой следующий шаг в развитии более ранних прототипов и построен на базе последней версии человекоподобного робота iCub, известной как iCub3, которая была разработана для дистанционного управления. Робот оснащён четырьмя реактивными двигателями: два установлены на его руках, а два — на реактивном ранце, прикреплённом к его спине. Для поддержки этих двигателей в конструкцию iCub были внесены изменения: новый титановый позвоночник и защитные термостойкие покрытия.
С установленными реактивными двигателями робот весит около 70 килограммов. Турбины могут создавать максимальную тягу более 1000 ньютонов. Такая конфигурация позволяет роботу зависать в воздухе и выполнять контролируемые маневры, даже при наличии ветра или неблагоприятных погодных условий. Температура выхлопных газов двигателей может достигать 800 градусов по Цельсию.
Исследователи из Итальянского технологического института совершили первый полёт iRonCub3. Робот смог оторваться от пола примерно на 50 см, сохраняя устойчивость. Этот результат стал возможен благодаря исследованиям в области термодинамики и аэродинамики в сочетании с робототехникой и системами управления на базе искусственного интеллекта. Фото: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia
«Это исследование радикально отличается от традиционной гуманоидной робототехники и заставило нас совершить значительный скачок в развитии», — объясняет Даниэле Пуччи. «Здесь ключевую роль играет термодинамика: выхлопные газы турбин нагреваются до 700°C и движутся почти со скоростью звука. Аэродинамику необходимо оценивать в режиме реального времени, а системы управления должны работать как с медленными приводами суставов, так и с быстрыми реактивными турбинами». Тестирование этих роботов настолько же увлекательно, насколько и опасно, и здесь нет места импровизации.
Исследовательская группа AMI сосредоточилась на динамическом равновесии робота, что особенно сложно из-за его гуманоидной формы. В отличие от традиционных дронов с компактной и симметричной конструкцией, iRonCub3 имеет вытянутую форму, вес распределён по подвижным конечностям, а центр масс смещён. Такая сложность потребовала разработки усовершенствованных моделей балансировки в полёте, учитывающих многокорпусную динамику робота и взаимодействие между реактивным двигателем и движением конечностей. Кроме того, движущиеся конечности значительно усложняют аэродинамику робота, поскольку каждое движение меняет направление воздушного потока вокруг корпуса.
Искусственный интеллект и аэродинамическое моделирование
Исследователи из Индийского технологического института провели обширные эксперименты в аэродинамической трубе, усовершенствовали моделирование методом вычислительной гидродинамики (CFD) и разработали модели на основе искусственного интеллекта, способные оценивать аэродинамические силы в реальном времени.
«Наши модели включают в себя нейронные сети, обученные на смоделированных и экспериментальных данных, и интегрированы в архитектуру управления роботом, чтобы гарантировать стабильный полёт», — объясняет Антонелло Паолино, первый автор статьи и аспирант совместной программы ИИТ и Неаполитанского университета, который провёл семестр в качестве приглашённого исследователя в Стэнфордском университете.
В результате iRonCub3 оснащён системами управления на базе искусственного интеллекта, которые позволяют ему летать в условиях высокоскоростных турбулентных потоков воздуха, экстремальных температур и сложной динамики многокомпонентных систем.
Усовершенствованное аэродинамическое моделирование, разработанное IIT, демонстрирует, что можно сохранять положение и устойчивость даже во время маневров с изменением положения тела, таких как последовательное включение двигателей или изменение геометрии корпуса.
Эти исследования могут быть применены к другим роботам с нестандартной морфологией, что представляет собой уникальный случай по сравнению с классическими дронами, баланс которых зависит от симметрии и упрощённых стратегий управления, которые часто игнорируют аэродинамику и термодинамику самого робота.
Совместное проектирование и интегрированные системы
Окончательный вариант дизайна iRonCub3 — результат передового процесса совместного проектирования, специально разработанного для интеграции искусственного интеллекта и мультифизики в конструкцию летающих роботов. Эти инновационные для робототехники методы позволяют одновременно оптимизировать форму корпуса и стратегии управления с учётом сложных взаимодействий между аэродинамикой, термодинамикой и многокомпонентной динамикой.
Совместный дизайн был использован для определения оптимального расположения реактивных турбин, чтобы обеспечить максимальное управление и стабильность во время полёта. Также были применены передовые методы проектирования для управления теплоотдачей двигателей, что обеспечило целостность конструкции робота даже в экстремальных условиях эксплуатации.
Робот был полностью перепроектирован, чтобы выдерживать суровые условия, связанные с передвижением по воздуху. Были внесены существенные улучшения, направленные на повышение точности управления, улучшенное регулирование тяги с помощью встроенных датчиков и усовершенствованную систему планирования для согласованного взлёта и посадки.
В процессе проектирования было внесено множество итеративных изменений на основе результатов расширенного моделирования и экспериментальных испытаний, что привело к формированию текущей конфигурации робота. Такой подход позволил команде преодолеть ограничения традиционных методологий и стал шагом вперед в автоматическом и интегрированном проектировании сложных роботизированных систем.
Будущие испытания и приложения
Первые лётные испытания iRonCub3 были проведены в небольшой зоне лётных испытаний ИИТ, где робот смог оторваться от пола примерно на 50 см. В ближайшие месяцы испытания прототипа будут продолжены и расширены благодаря сотрудничеству с аэропортом Генуи (Aeroporto di Genova), который предоставит специальную зону, оборудованную Итальянским технологическим институтом в соответствии со всеми необходимыми правилами безопасности. В этой зоне будут проводиться будущие экспериментальные кампании.
Летающие человекоподобные роботы, такие как iRonCub3, могут применяться в различных сценариях будущего, например, для поисково-спасательных операций в районах стихийных бедствий, для осмотра опасных или труднодоступных мест, а также для исследовательских миссий, где важны как манипуляционные возможности, так и мобильность в воздухе.