מאמר על דבורים רובוטיות מסיינטיפיק אמריקן

מאמר על דבורים רובוטיות מסיינטיפיק אמריקן

מעוף הדבורים הרובוטיות מאמר מעניין מאוד מאת סיינטיפיק אמריקן ישראל

אלפי חרקים רובוטיים ימריאו אל-על במטרה משותפת

לפני זמן לא רב, מגפה מסתורית ושמה "הפרעת התמוטטות המושבה" (CCD) החלה לחסל כוורות של דבורי דבש בארצות הברית. הדבורים האלה אחראיות לרוב פעילות ההאבקה המסחרית המתבצעת בארה"ב, ואובדנן עורר חשש שמא החקלאות תיפגע גם כן. ב- 2009 החלנו, שלושת המחברים ועמיתינו באוניברסיטת הרווארד ובאוניברסיטת נורת'איסטרן, לחשוב ברצינות מה יידרש כדי ליצור מושבת דבורים רובוטיות. תהינו אם דבורים מכניות יוכלו לשחזר לא רק את התנהגותה של דבורה יחידה, אלא גם את ההתנהגות הייחודית שנוצרת כשאלפי דבורים מקיימות יחסי גומלין זו עם זו. יצרנו אפוא את ה"דבורובוטים" (RoboBees) הראשונים, רובוטים מעופפים שגודלם כגודל דבורה, ואנו שוקדים על פיתוח דרכים לגרום לאלפים מהם לשתף פעולה כמו בכוורת אמיתית.

במבט ראשון, משימה כזאת נראית כמעט בלתי אפשרית. הדבורים עוצבו לאורך מיליוני שנות אבולוציה לכדי מכונות מעופפות מדהימות. גופן הזעיר מסוגל לעופף במשך שעות, לשמור על יציבות במהלך פרצי רוח, לחפש פרחים ולחמוק מפני טורפים. נסו לעשות זאת עם רובוט בגודל מטבע!

ומה בדבר הכוורת? נראה שאין במושבת דבורים שום מפקח ושום סמכות ריכוזית. אף על פי כן, עשרות אלפי דבורי דבש במושבה חולקות ביניהן את העבודה בתבונה ומצליחות לבצע משימות חיוניות לקיומה של הכוורת כולה. כשהכוורת זקוקה לעוד אבקת פרחים, דבורים נוספות יוצאות לאסוף אותה; כשהכוורת דורשת תחזוקה, הדבורים נשארות בבית. וכשמשהו משתבש, למשל כשהמלכה מתה באופן לא צפוי, הדבורים מסתגלות במהירות לנסיבות המשתנות. אם אין שום מנהיג, איך מושבה גדולה כל כך מסוגלת לקבל את ההחלטות המורכבות האלה במהירות ובלי מהומה שמקורה בבעיות תקשורת?

כוורת רובוטית תוכל לסייע לחקלאות על ידי איבוק פרחים, אבל זה רק אחד מן השימושים הרבים האפשריים. למעשה, רובוטים קטנים, זריזים, פשוטים ולא יקרים יוכלו לבצע פעולות רבות ביעילות הרבה יותר גדולה משיכולים לבצע מעט רובוטים בעלי יכולות גבוהות. לדוגמה, חשבו על איש כוחות חילוץ שמצויד בקופסה עם אלף דבורובוטים שמשקלה פחות מקילוגרם אחד. אפשר לשחרר את הדבורובוטים האלה באתר אסון כדי לחפש את חתימת החום, הקול או נשיפת הפחמן הדו-חמצני של הניצולים. די בשלושה רובוטים בלבד מתוך האלף שיצליחו במשימתם, והדבר ייחשב להצלחה לנחיל כולו. זה דבר שאי אפשר לומר על הדור הנוכחי של רובוטי חילוץ, שעולים מאות אלפי דולרים ליחידה.

עם זאת, מושבה של דבורים רובוטיות מציבה מספר עצום של אתגרים טכנולוגיים. גודלם של הרובוטים צריך להיות סנטימטרים ספורים מקצה אל קצה, ומשקלם כחצי גרם – כמאית המשקל של כלי הטיס העצמאי הקל ביותר בעולם. האריזה הזעירה הזאת צריכה לכלול את מערכת הטיסה, את מערכת הראייה וכן את המוח האלקטרוני, ואת אמצעי הבקרה שיקבעו את אופן האינטראקציה של הדבורה עם חברותיה לכוורת. כל היעדים האלה מתקרבים להישג-יד בזכות התקדמות במדעי החומרים, בטכנולוגיית חיישנים ובארכיטקטורת מחשוב.

גוף ומעוף:
האתגר המובן-מאליו ביותר ביצירת רובוט מעופף זעיר הוא כיצד לגרום לו לעוף. למרבה הצער, ההתקדמות שהושגה בתחום מזעור הרובוטים בעשר השנים האחרונות אינה מסייעת לנו יותר מדי, מכיוון שממדיו הקטנים של הדבורובוט משנים את טבעם של הכוחות שפועלים עליו. כוחות פני שטח, כגון חיכוך, נעשים משפיעים יותר מאשר כוחות שקשורים לנפח, כמו כוח הכבידה וההתמד. בעיית קנה המידה הופכת את רוב ארגז הכלים הטיפוסי של מהנדסי המכונות לבלתי יעיל, ובכלל זה מסבים, גלגלי שיניים ומנועים אלקטרומגנטיים. הרכיבים האלה נפוצים מאוד ברובוטים גדולים יותר, אך אינם יעילים דיים לדבורובוט.

במקום מנועים וגלגלי שיניים מסתובבים, עיצבנו את הדבורובוט עם אנטומיה דומה מאוד לזו של חרק מעופף: כנפיים מנפנפות המוּנַעות (במקרה זה) בשרירים מלאכותיים. מערכת השרירים שיצרנו עושה שימוש ב"שרירים" נפרדים להנעה ולבקרה. מחוללי תנועה (אַקְטוּאַטוֹרים) גדולים וחזקים באופן יחסי גורמים לתנודות במערכת הכנף והחזה כדי ליצור את הנפנוף, ואילו מחוללי תנועה קטנים יותר מכווננים את תנועות הכנפיים ליצירה של מומנט סיבוב לצורכי בקרה ותמרון. שני מחוללי התנועה פועלים על המפרק שמחבר את הכנף לגוף.

השריר המלאכותי עשוי מחומרים פְּיֶיזוֹ-אֶלֶקטריים, שמתכווצים כשמפעילים עליהם מתח חשמלי. למחוללי תנועה כאלה יש כמה חסרונות, למשל, הם מצריכים מתח גבוה והם שבריריים, אך זה אחד המקרים שבהם הפיזיקה של קנה המידה הקטן פועלת לטובתנו. ככל שמחוללי התנועה האלה קטנים יותר, כן הם מנסים לפעול מהר יותר, ומכיוון שכמות העבודה הדרושה בכל מחזור (ליחידת מסה) נשארת פחות או יותר קבועה, נפנוף מהיר יותר יוצר הספק גבוה יותר. למעשה, השרירים האלה מפיקים הספק שמשתווה לזה של שרירי חרקים בגודל דומה.

בשנים האחרונות ביצענו ניסויים בעשרות תצורות שונות של מחוללי תנועה ומִפרקים. ומכיוון שיהיה צורך לייצר בייצור המוני אלפי דבורים כאלה, בחנו בכל תצורה את קלות הבנייה.

דגמי השרירים המלאכותיים המוצלחים ביותר שהצלחנו לבנות עד כה מיוצרים מכריך בעל שלוש שכבות: יריעות קשיחות למעלה ולמטה, ויריעת פולימר דקה באמצע. את המפרקים הגמישים אנחנו יוצרים על ידי סילוק חומר מן השכבות החיצוניות באמצעות חריטה, כך שהפולימר באמצע חופשי להתכופף.

התקדמנו מאוד בבנייה של רובוט בגודל דבורה, אך אנחנו עדיין מנסים למצוא את הדרך הטובה ביותר לספק לו חשמל. כדי לעמוד בדרישות האנרגיה הגבוהות של מעוף בקנה מידה קטן, רוב המסה של הדבורה הרובוטית צריכה להתרכז במחולל התנועה הראשי וביחידת הכוח (לצורך הדיון נתייחס אליה כאל סוללה, אם כי אנחנו בוחנים גם שימוש בתא דלק זעיר מסוג מוצק-תחמוצת.) שאלת האנרגיה התגלתה במידה מסוימת כמלכוד 22: ככל שיחידת הכוח גדולה יותר היא מאחסנת יותר אנרגיה, אך מחייבת מערכת הנעה גדולה יותר כדי להתמודד עם משקל עודף, וזו בתורה מצריכה מקור אנרגיה גדול עוד יותר.

טרם הצלחנו להטיס דבורובוט בעל מקור אנרגיה עצמאי, ועם זאת הדגמנו כיצד רובוט שמשקלו 100 מיליגרם מפיק די דחף כדי להמריא (כשהוא מחובר בחוטים למקור אנרגיה חיצוני). הדבורובוט הצליח גם לייצב את עצמו באמצעות שילוב של מנגנונים אקטיביים ופסיביים. בהינתן צפיפות האנרגיה של מיטב הסוללות המודרניות והיעילות של כל רכיבי הרובוט, אנחנו מעריכים שזמן הטיסה המרבי לא יעלה על כמה עשרות שניות בלבד. כדי להאריך את זמן המעוף הזה אנחנו פועלים לצמצום המסה ולשיפור מרבי של היעילות של כל רכיב בגוף הרובוט.

מוח וניווט:
האנרגיה אינה הסיבה היחידה לכך שהדבורובוט עדיין מחובר בכבל. בעיה נוספת שטרם פתרנו היא זו של ה"מוח" הנישא: דבורובוט עצמאי בשטח יצטרך לסרוק את הסביבה, להחליט מהי דרך הפעולה המועדפת ולשלוט במנגנוני הטיסה. במעבדה אנחנו משתמשים בפתרון מאולתר של אלקטרוניקה חיצונית, אך בשטח, הדבורובוט יזדקק ל"מוח" משל עצמו.

ברמת התהליכים הגבוהים, המוח הזה מהווה יחידה תבונית שלא זו בלבד שהיא אחראית לשליטה בדבורובוט היחיד אלא אף לניהול האינטראקציה שלו עם דבורובוטים אחרים במושבה. אנחנו בונים את המוח בשכבות: חיישנים לפענוח הסביבה הפיזית, מערכת עצבית אלקטרונית המטפלת בפעולות בקרה בסיסיות, ו"קליפת מוח" אלקטרונית ניתנת לתכנות שמקבלת החלטות ברמה עילית. בשלב ראשון ניסינו לעצב תת-מערכת של המוח הזה, שתאפשר טיסה עצמאית. האתגר הזה חייב חוג בקרה הדוק שכולל חיישנים, מעבדי אותות ותנועה של חלקי הגוף.

כדי לקבוע באילו חיישנים להשתמש וכיצד לחווט את מוח הרובוט, פנינו שוב לטבע. זבובים (ובעלי חיים אחרים) משתמשים בשני סוגים עיקריים של חיישנים כדי לנווט בעולם: חיישנים פְּרוֹפְּריוֹצֶפְּטיביים המעניקים למעופף מידע על עצמו – באיזו מהירות הכנפיים שלו נעות, לדוגמה, או כמה חשמל נותר בסוללה וחיישנים אֶקְסְטרוֹצֶפְּטיביים המספקים מידע על העולם שבחוץ.

הטכנולוגיה המודרנית מציעה ניווט לווייני, חיישני תאוצה וג'ירוסקופים מרובי-צירים, אך חיישנים כאלה הם לרוב כבדים, זוללי חשמל או שניהם גם יחד ולכן אינם מתאימים לשימוש כזה. משום כך אנחנו בודקים מערכת ראייה אלקטרונית דומה לזו של דבורים אמיתיות: מערכת המנתחת "זרימה אופטית", שהיא התנועה הנראית של עצמים בשדה החזותי של חיישן תמונה. דמיינו את הנוף הנשקף מחלון הנוסע שבמכונית: עצמים קרובים נראים כחולפים במהירות דרך שדה הראייה, ואילו עצמים רחוקים נעים לאט. מערכת ראייה שמנצלת את המידע הזה מסוגלת ליצור ייצוג תלת ממדי של הסביבה, אפילו אם היא מצוידת בחיישן תמונה קטן ופשוט בלבד.

עם זאת, מוח הדבורובוט יצטרך להיות חזק דיו כדי לעבד את זרם הנתונים שמגיע מחיישני התמונה, ולקבל את החלטות הבקרה המתאימות להנעת מחולל התנועה שבגופו. גם כאן, אפילו הרכיבים המתקדמים הזמינים בשוק לא יועילו לנו. לפיכך, אנחנו בוחנים סוג חדש של ארכיטקטורת מחשוב בעבור מוח הדבורובוט, המשלבת מחשוב רב-תכליתי עם מעגלים ייעודיים המכונים בשם "מאיצי חו
 
למעלה