Учёные Московского физико-технического института разработали прорывную систему управления для летающих роботов-птиц (орнитоптеров). В её основе — точная копия нервных центров живых существ. Руководитель исследования, заведующий лабораторией нейробиоморфных технологий МФТИ Виктор Казанцев, и его заместитель, старший научный сотрудник Иннокентий Кастальский, рассказали, как их изобретение откроет путь дронам нового поколения.
Такие аппараты смогут бесшумно и с невероятной манёвренностью работать в самых сложных условиях: в густых лесах, внутри разрушенных зданий или среди городских высоток, где обычные винтовые дроны беспомощны.
В чём секрет ловкости птиц?
Секрет кроется не только в крыльях, но и в особой «ритм-машине» — центральном генераторе паттернов. Это нейронная схема в спинном мозге, которая отвечает за автоматические ритмичные движения: ходьбу, плавание или взмахи крыльев. Учёные МФТИ смоделировали её работу с помощью импульсной нейронной сети — математической модели, которая ведёт себя как живые нервные клетки.
Наша нейронная сеть поделена на две половины, между которыми существуют взаимные тормозные связи. Одна половина нейронов отвечает за команду “поднять крыло”, другая – опустить. Когда одни активируются, другие получают тормозящий сигнал. Получается замкнутый цикл: активность одной половины подавляет другую, а затем – наоборот. Так и рождается взмах крыла,
пояснил Иннокентий Кастальский.
Самостоятельность и гибкость
Главное преимущество этой системы — в её самостоятельности. Она не требует постоянных корректировок, а сама поддерживает стабильный ритм и быстро восстанавливается после помех. Более того, её можно тонко настраивать «на лету», прямо в процессе полёта.
Птицы экономят энергию, точно подстраивая взмах под режим полёта. Плавно регулируя внутренние параметры нашей сети, можно увеличить частоту взмахов для манёвра, уменьшить амплитуду для экономии энергии или сделать движения асимметричными для поворота,
отметил Виктор Казанцев.
От цифрового сигнала к живому движению
Сигналы от этого «цифрового мозга» преобразуются сервомоторами в точные и плавные движения крыла, воспроизводя естественную для птицы траекторию. Важным звеном стала математическая модель мышцы, которая рассчитывает, как сильно и быстро должна среагировать механика на каждый нервный импульс от сети.
Где будут летать робоптицы будущего?
Архитектура уже готова к подключению датчиков, которые позволят роботу самостоятельно парировать порывы ветра и стабилизировать полёт. Это открывает путь к применению в самых сложных сценариях:
- Экомониторинг в лесах — бесшумное наблюдение за животными.
- Поисково-спасательные работы в завалах и разрушенных зданиях.
- Инспекция сложных инженерных конструкций, труб и мостов.
Разработка лаборатории МФТИ — это фундаментальный шаг к созданию полностью автономных роботов, которые смогут работать там, где это раньше было невозможно, обучаясь у самой эффективной системы — живой природы.