Το «αόρατο» drone του Northwestern

Σύνοψη

• Μηχανικοί του Πανεπιστημίου Northwestern κατασκεύασαν το Phantom Twist, ένα πρωτότυπο drone που εκμεταλλεύεται την ανθρώπινη όραση για να παραμένει σχεδόν αόρατο.
• Αντί για ενεργό καμουφλάζ, το drone χρησιμοποιεί το φαινόμενο του θολώματος κίνησης (motion blur).
• Διαθέτει μόνο έναν κινητήρα: ο έλικας περιστρέφεται προς μία κατεύθυνση και το σώμα προς την αντίθετη, εκτελώντας 25 περιστροφές ανά δευτερόλεπτο (25 Hz).
• Ο σχεδιασμός προέκυψε αποκλειστικά μέσω αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης (AI) έπειτα από προσομοίωση 20.000 διαφορετικών διατάξεων εξαρτημάτων.
• Κύριος στόχος είναι η χρήση του για παρακολούθηση άγριας ζωής και επιθεώρηση υποδομών χωρίς την πρόκληση οπτικής όχλησης, αν και η ενσωμάτωση κάμερας παραμένει μηχανολογική πρόκληση.

Η παραδοσιακή προσέγγιση για την απόκρυψη ιπτάμενων μηχανημάτων εστιάζει στα υλικά, με την αμυντική βιομηχανία να επενδύει σε μετα-υλικά, βαφές απορρόφησης ραντάρ και συστήματα ενεργού καμουφλάζ. Παρόλα αυτά, οι ερευνητές του Northwestern διαφοροποιήθηκαν πλήρως και αντί να προσπαθήσουν να αλλάξουν τα κατασκευαστικά υλικά του drone, αποφάσισαν να εκμεταλλευτούν τους ίδιους τους περιορισμούς του ανθρώπινου ματιού.

Το οπτικό μας σύστημα απαιτεί χρόνο για να συγκεντρώσει την πληροφορία από το περιβάλλον, διαδικασία που συγκρίνεται με τον χρόνο έκθεσης (shutter speed) του αισθητήρα μιας ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής. Όταν η ταχύτητα ενός αντικειμένου υπερβαίνει την ικανότητα επεξεργασίας του οπτικού φλοιού, ο εγκέφαλος μεταφράζει την πληροφορία ως θόλωμα.

Για να επιτευχθεί αυτό σε ένα drone, οι μηχανικοί αφαίρεσαν κάθε στοιχείο που θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως σημείο αναφοράς για το μάτι. Σε ένα συμβατικό quadcopter, το κεντρικό σασί παραμένει απόλυτα ακίνητο, ενώ οι τέσσερις έλικες παράγουν την άντωση. Το Phantom Twist καταργεί τη συμβατική γεωμετρία, αφού ολόκληρο το σώμα της συσκευής εκτελεί περιστροφική κίνηση αντίθετης φοράς από τον μοναδικό έλικα. Δεν υπάρχει κανένα σταθερό τμήμα για να κλειδώσει η ανθρώπινη όραση, εξαναγκάζοντας τον εγκέφαλο να αντιληφθεί τη μηχανή ως ένα αχνό σύννεφο που αφομοιώνεται οπτικά στο φόντο του ουρανού ή του τοπίου.

Ο κρίσιμος ρόλος της Τεχνητής Νοημοσύνης

Η δημιουργία μιας αεροδυναμικής πλατφόρμας η οποία μπορεί να παραμένει απόλυτα σταθερή ενώ το πλαίσιό της περιστρέφεται 25 φορές το δευτερόλεπτο, ξεπερνά τις δυνατότητες του παραδοσιακού σχεδιασμού CAD, καθώς η διάταξη έπρεπε να υπολογιστεί από αλγορίθμους.

Η ομάδα ανέπτυξε υπολογιστικά μοντέλα παραγωγής 20.000 διαφορετικών σχεδιαστικών παραλλαγών και στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκαν αλγόριθμοι βελτιστοποίησης για να δοκιμάσουν χιλιάδες διαφορετικές τοποθετήσεις για τα βασικά εξαρτήματα (μπαταρία, κύκλωμα ελέγχου, αντίβαρα, κινητήρας). Η απαίτηση ήταν αφενός τα εξαρτήματα να κατανέμουν το κέντρο βάρους τέλεια ώστε η πτήση να μην αποκλίνει, αφετέρου δεν έπρεπε να επικαλύπτονται οπτικά κατά την περιστροφή. Εάν δύο μαύρα εξαρτήματα βρίσκονταν στο ίδιο ύψος κατά την περιστροφή, το ανθρώπινο μάτι θα εντόπιζε μια έντονη σκοτεινή λωρίδα.

Κάθε προτεινόμενος σχεδιασμός προσομοιώθηκε ψηφιακά και τοποθετήθηκε ψηφιακά πάνω από 100 πραγματικές εικόνες τοπίου, ενώ παράλληλα το λογισμικό χρησιμοποίησε ένα αντίγραφο της ανθρώπινης όρασης για να δώσει βαθμολογία ορατότητας. Τα 500 μοντέλα με το μικρότερο σκορ βελτιστοποιήθηκαν εκ νέου, μέχρι που προέκυψε η τελική γεωμετρία. Στο Phantom Twist, τα υλικά είναι στρατηγικά σκορπισμένα σε ασύμμετρα ύψη και γωνίες.

Ακαταστασία κατασκευής και πραγματικοί περιορισμοί

Μεταφέροντας τα θεωρητικά δεδομένα στο πεδίο, το Phantom Twist αναδεικνύει μια σειρά από πρακτικά προβλήματα λειτουργίας και κατασκευαστικής φθοράς. Οι φυγόκεντρες δυνάμεις που αναπτύσσονται σε ένα πλαίσιο το οποίο πάλλεται με 25 Hz καταπονούν σε ακραίο βαθμό τις κολλήσεις στην κεντρική πλακέτα και διαβρώνουν γρήγορα τον άξονα περιστροφής του κινητήρα. Η απουσία συμμετρίας δημιουργεί την αίσθηση ακραίου συντονισμού, πράγμα που σημαίνει πως αν ένας κόκκος σκόνης μετατοπίσει έστω και ελάχιστα την ισορροπία βάρους στον έλικα, το drone θα ταλαντωθεί βίαια εκτός πορείας.

Το μεγαλύτερο λειτουργικό κενό αφορά το ωφέλιμο φορτίο. Μια ιπτάμενη διάταξη που σχεδιάστηκε για παρακολούθηση οφείλει να φέρει αισθητήρες, επομένως, η τοποθέτηση κάμερας σε ένα αντικείμενο που περιστρέφεται διαρκώς καθιστά τη λήψη εικόνας αδύνατη. Απαιτούνται ακραία συστήματα de-rotation σε επίπεδο λογισμικού, τα οποία θα αναλύουν το ένα frame αποκλειστικά το κλάσμα του δευτερολέπτου που ο φακός κοιτάζει εμπρός, απορρίπτοντας τα υπόλοιπα 24 frames της περιστροφής. Επιπλέον, ενώ το drone εξαφανίζεται οπτικά, παραμένει ακουστικά παρόν, με τον μονό έλικα να παράγει διακριτό θόρυβο.

Που θα μπορούσε να βρει εφαρμογή το Phantom Twist

Το Phantom Twist αποτελεί αυτή τη στιγμή αποκλειστικά εργαστηριακό πείραμα υπό τη σκέπη του Πανεπιστημίου Northwestern. Η τεχνολογία δεν έχει παραχωρηθεί σε κατασκευαστές (όπως η DJI) και δεν διαθέτει εμπορική τιμή ή διαθεσιμότητα για την αγορά.

Παρόλα αυτά, η τεχνολογική λογική του απαντά σε σημαντικές προκλήσεις για τις περιβαλλοντικές οργανώσεις. Η χαρτογράφηση υγροβιότοπων και η παρακολούθηση φωλιών αρπακτικών πτηνών, συχνά διακόπτεται βίαια επειδή οπτικά τα πτηνά εκλαμβάνουν τα drones ως απειλή και εγκαταλείπουν τις φωλιές τους. Ένα εξαιρετικά διακριτικό σύστημα εναέριας επιτήρησης θα παρείχε στους ερευνητές τα δεδομένα που χρειάζονται, εκμηδενίζοντας το περιβαλλοντικό αποτύπωμα της παρακολούθησης.