صباح الخير
أنا هنا اليوم لأتحدث
عن كرات الطائرة الشاطئية ذاتية التحكم.
لا, الروبوتات الهوائية الخفيفة
احب ان احدثكم قليلاً عن التحديات في بناءها
وبعض الفرص الرائعه
في تطبيق هذه التكنولوجيا.
هذه الروبوتات
مرتبطة بالمركبات الطائرة بدون طيار
لكن , المركبات التي تُشاهدونها هنا كبيرة.
تزن الاف الباوندات,
ولا تعتبر بأي حال خفيفة
بل وليست حتی ذاتية التحكم.
في الواقع, الكثير من هذه المركبات
تعمل بواسطة طواقم طيران
والتي من الممكن ان تشتمل على عدد من الطيارين
و مشغلي أجهزة الإستشعار
ومُنسقي المُهمة.
وما نحن مُهتمين به هو تطوير روبوتات مثل هذا --
وهنا صورتان اخريين --
من الروبوتات التي يمكن شراءها من المتجر.
هذه مروحيات بأربعة دوارات
وهي تقريبا في حدود المتر أو قريبا من ذلك
وتزن بضعة بوندات
وحدثناها بإضافة اجهزة استشعار ومُعالجات ،
ويمكن لتلك الروبوتات الطيران داخل المباني
بدون اجهزة تحديد المواقع
الروبوت الذي احمله في يدي
من ذلك النوع ،
وتم بناءه من قبل طالبين
"اليكس" و "دانيال"
وهذه وزنها أكبر بعض الشيء
من عُشر الباوند.
و تستهلك تقريباً 15 وات من الطاقة.
وكما تُشاهدون ،
قطرها حوالي ثمانية انشات.
دعوني اعطيكم شرحاً سريعاً جداً
عن كيفية عمل تلك الروبوتات.
إن لديها اربعة دوارات.
اذا أدرت تلك الدوارات بنفس السرعة ،
يحوم الروبوت.
و إذا زدت سرعة كل من تلك الدوارات ،
فإن الروبوت يبدأ في الطيران. والتسارع.
و بالطبع, اذا كان الروبوت مائلاً ،
يميل أفقياً،
وبالتالي سوف يتسارع في ذلك الإتجاه.
لذا إذا ما أردنا توجيهه, فإن هناك طريقتين لعمل ذلك.
في هذه الصورة
تُشاهدون ان الدوار الرابع يدور بسرعة اكبر
والدوار الثاني يدور ببطء
وفي هذه الحالة
هناك لحظة يلتف فيها الروبوت
والحالة الاخرى
اذا زدت سرعة الدوار الثالث
وخفضت سُرعة الدوار الاول
يتحرك الروبوت الى الامام
وأخيراً
اذا أدرت الازواج المتقابلة من الروبوت
أسرع من الزوج الاّخر،
فإن الروبوت يرتفع باتجاه المحور العمودي.
هناك مُعالجٌ موضوعٌ بداخلها
يُحدد مبدئياً ما هي الحركات المطلوب إجراؤها
ويدمج تلك الحركات
ويحدد ما هي التعليمات التي يجب إرسالها الى الدوارات
600 مرة في الثانية.
تلك هي كيفية عمل هذا الشيء ببساطة.
أحد مزايا هذا التصميم
هو انه عندما تجعل الأشياء مصغرة ،
يُصبح الروبوت خفيفاً.
الحرف R هنا
هو طول الروبوت.
في الواقع هو نصف القُطر.
وهناك الكثير من المُعاملات الفيزيائية التي تتغير
كُلما قللت من قيمة R
وأهمها
القصور الذاتي او مُقاومة الحركة.
لذا يتضح لنا ،
أن القصور الذاتي ، والذي يتحكم في الحركة الزاوية ،
يتناقص الى قوى خمسة بالنسبة ل R
بالتالي كُلما صغرت R ،
كُلما تناقص القصور الذاتي بصورة دراماتيكية.
وكنتيجة لذلك ,فإن التسارع الزاوي ،
والظاهر بالرمز ألفا الإغريقي ،
يساوي واحد على R
يتناسب عكسيا مع R.
كلما جعلت الروبوت أصغر كُلما استطعت الإلتفاف بسرعة.
وذلك سوف يكون واضحاً في هذه المشاهد.
في الاسفل على اليمين تُشاهدون روبوت
يقوم بإنقلاب بزاوية 360 درجة
في أقل من نصف ثانية.
عدة إنقلابات ، وقت أطول قليلاً.
هُنا المُعالجات المُدمجة
تستقبل المعلومات من أجهزة قياس التسارع
وأجهزة قياس الميلان حول المحاور
وتقوم بالحساب ، كما أسلفت ،
ومن ثم ترسل الأوامر بسرعة 600 مرة في الثانية
لتجعل هذا الروبوت مُستقراً
على اليسار تُشاهدون دانييل يُلقي هذا الروبوت في الهواء.
ويظهرلكم مدى قوة التحكم.
بغض النظر عن كيفية إلقاءه ،
يتغلب الروبوت على الوضع ويعود إليه مُجدداً.
لماذا نبني روبوتاً مثل هذا؟
الروبوتات من هذا النوع لديها الكثير من التطبيقات.
تُرسلها داخل مبنى مُشابه لهذا
كأول المستجيبين للبحث عن الدُخلاء ،
أو البحث عن التسربات البيوكيميائية
أو التسربات الغازية.
يُمكنك ايضأ استخدامها
في تطبيقات مثل الإنشاء.
هاهنا الروبوتات تحمل الحزم ، الأعمدة
وتُجمع بناء على شكل مُكعبات.
سوف أخبركم اكثر عن هذا.
الروبوتات يمكن استخدامها في نقل البضائع.
و أحد المشاكل المرتبطة بتلك الروبوتات الصغيرة
هي قدرتها على حمل الأثقال.
رُبما تحتاج إلى عدة روبوتات
لنقل تلك الأحمال.
هذه صورة لتجربة اجريناها مؤخراً --
في الواقع لم تعد حديثة --
في "سينداي" بعد الزلزال بفترة قصيرة.
مثل هذه الروبوتات يمكن ارسالها داخل المباني المنهارة
لتقييم الأضرار بعد الكوارث الطبيعية ،
أو إرساله داخل المُفاعلات النووية
لتحديد مستويات الإشعاع.
لذا أحد المشاكل الأساسية
التي يجب حلها على الروبوتات ، لكي تكون ذاتية التحكم
مبدأياً ، هي التحديد
في كيفية الانتقال من النقطة A الى النقطة B.
و يُصبح هذا نوع من التحدي
لان ديناميكية الروبوت مُعقدة.
في الواقع هي تعيش في فضاء مؤلف من 12 بُعداً.
لذا نستخدم حيلةً صغيرةً.
نأخذ هذا الفضاء المنحني المحتوي على 12 بُعد
ونُحوله
الى فضاء مُسطح من أربعة أبعاد.
وذلك الفضاء ذو الأربعة أبعاد
مُكون من X,Y,Z, و ثم زاوية الإرتفاع.
وما يفعله الروبوت
أنه يبحث عن المسار الأقصر.
و لتذكيركم بالفيزياء ،
دائماً لدينا المكان ، والإشتقاق ، والسرعة
ومن ثُم التسارع ،
وثم يأتي معدل تغير التسارع
ثم معدل تغير التذبذب.
هذا الروبوت يُقلص مُعدل تغير التذبذب.
وما يفعله ذلك
هو إنتاج حركة سهلة ورشيقة.
و هو يفعل ذلك مع تفادي العقبات.
وهذا المسار الأقل في معدل الذبذبة على الفضاء المسطح
يتم تحويله مرةً أخرى
الى الفضاء المُعقد ذو ال 12 بُعداً ،
الذي يجب على الروبوت أن يقوم به
للتحكُم والتنفيذ.
دعوني أعرض عليكم بعض الأمثلة
كيف تبدوا تلك المسارات الأقل في مُعدل الذبذبة.
في المشهد الأول ،
سوف تُشاهدون الروبوت ينتقل من النُقطة "أ" الى النقطة "ب"
من خلال المرور بنقطة وسطية.
الروبوت قادر وبوضوح
على تنفيذ أي مسار مُنحني.
تلك هي مسارات دائرية
حيث يسحب الروبوت مايعادل ضعف تسارع الجاذبية.
هناك كاميرات لاقطة للحركة في الأعلى
تُخبر الروبوت عن مكانه 100 مرة في الثانية.
وتُخبر الروبوت ايضاً أين تلك العقبات.
والعقبات قد تكون متحركة.
وهنا سوف تشاهدون دانييل يُلقي الحلقة في الهواء ،
بينما يحسب الروبوت موقع الحلقة
ويحاول تحديد أفضل طريقة للمرور خلال الحلقة.
لذا كأكاديمي ،
تدربنا على القفز خلال الحلقات لزيادة التمويل لمختبراتنا ،
وجعلنا روبوتاتنا تقوم بذلك.
(تصفيق)
شيئ اّخر يمكن للربوت عمله
أن تتذكر أجزاء المسار
التي تعلمتها أو التي تم برمجتها مُسبقاً.
فتشاهدون هنا روبوت
يجمع بين الحركة
التي تزيد الزخم
ثُم يُغير وضعيته ثُم يعود لوضعه السابق.
يجب عليه فعل ذلك بسبب هذه الفجوة في النافذة
أكبر قليلاً من عرض الروبوت.
مثلما يقف الغطّاس على منصة الوثب
ثم يقفز عنها ليكتسب زخماً ،
ثم يقوم بهذه الرقصة ، التشقلب مرتان ونصف
ومن ثم يستعيد وضعه السابق برشاقة ،
يقوم هذا الروبوت بذلك.
فهو يعرف كيف يجمع أجزاء المسارات
للقيام بهذه المهام الصعبة.
اريد تغيير التروس.
وأحد عيوب تلك الروبوتات الصغيرة هي حجمها.
وأخبرتكم سابقاً
ربما نحتاج إلى توظيف الكثير والكثير من الروبوتات
لنتغلب على قيود الحجم.
هناك صعوبة واحدة
كيفية التنسيق بين الكثير من هذه الروبوتات ؟
لذلك نظرنا الى الطبيعة.
أريد أن أعرض عليكم مشهداً
لنمل صحراء "فينوجاستر"
تحملُ جسماً في مُختبر البروفوسور "ستيفين برات"
هذه في الواقع قطعةٌ من التين.
في الواقع إذا أخذت أي جسمٍ وطليته بعصير التين
سوف ينقله النمل الى العش.
هذه النملات لا يوجد لديها مُنسق مركزي.
و هي تستشعر جاراتها.
لا يوجد أي تواصلٍ مباشر.
لكن لأنها تستشعر جاراتها
ولأنها تستشعر الجسم ،
هناك تنسيق ضمني ضمن المجموعة.
هذا النوع من التنسيق
نريد ان تحصل عليه روبوتاتنا.
عندما يكون لدينا روبوت
مُحاطٌ بالجيران --
لنأخذ الروبوت بالحرف "I" والروبوت بالحرف "J" --
ما نريد الروبوتات أن تفعله
هو أن تراقب المسافات بينها
حال طيرانها في تشكيل.
وتريد أن تكون مُتأكداً
أن هذه المسافات سوف تكون ضمن المستويات المقبولة.
مرةً أُخرى تُراقب الروبوتات نسبة الخطأ
وتحسب أوامر التحكم بناءً على ذلك
100 مرة في كل ثانية ،
والذي يُترجم بدوره إلى أوامر للدوار 600 مرة في الثانية.
وذلك جميعه يجب ان يتم
بطريقة لا مركزية.
مرة أخرى ، اذا كان لديك الكثير والكثير من الروبوتات ،
من المستحيل تنسيق كل هذه العمليات مركزياً
بالسرعة الكافية ليتمكن هذا الروبوت من تحقيق المُهمة.
بالإضافة إلى ذلك على الروبوتات أن تعتمد في تصرفاتها
على المعلومات المحلية فقط ،
ما تستشعره من جيرانها ،
ومن ثم أخيراً ،
ونُصر على أن لا يكون الروبوت على علمٍ
بهوية جاره.
وهذا ما نسميه عدم تحديد الهوية.
ما أريد عرضه بعد ذلك
مشهد
من 20 من تلك الروبوتات
تطير في تشكيل.
إنها تُراقب مواقع جيرانها.
وتُحافظ على التشكيل.
التشكيلُ يُمكن ان يتغير.
يمكن ان يكون تشكيلاً مُسطحاً ،
او تشكيلاً ثلاثي الأبعاد.
كما تُشاهدون هنا ،
تتحول من التشكيل ثلاثي الأبعاد إلى التشكيل المُسطح.
وتطير من خلال عوائق
يمكنها تكييف التشكيل أثناء الطيران.
مرةً أُخرى ، تلك الروبوتات متقاربةٌ جداً من بعضها البعض.
كما تُشاهدون في الصورة ثمانية روبوتات ،
تقترب على مسافة إنشاتٍ من بعضها البعض.
وعلى الرغم من التغييرات في الديناميكية الهوائية
فإن شفرات المروحية ،
في مقدورها المحافظة على طيرانٍ مُستقر.
(تصفيق)
حالما تعلم كيف تطير في تشكيل ،
يُمكنك إلتقاط الأجسام بشكل تعاوني.
هذا يوضح فقط
أنه يمكننا الزيادة الى ضعفين أو ثلاثة أو أربعة أضعاف
قوة الروبوت
فقط عن طريق جعلها في فريقٍ واحدٍ من المتجاورين ، كما تُشاهدون هنا.
أحد عيوب عمل ذلك
أنه عندما تقوم بعمل ذلك في أشياء أكبر --
لو كان لديك العديد من الروبوتات تحمل نفس الشيء ،
هي أنك تزيد القصور الذاتي بشكلٍ كبير ،
وبالتالي فإنك تدفع ثمن ذلك ، فهي لن تكون بتلك الخفة.
لكنك تكتسب قدرةً أكبر على الحمل.
تطبيقٌ اّخر أريد أن تُشاهدوه --
مرةً أُخرى ، في مُختبرنا.
هذا العمل تم عن طريق "كوينتين لينسي" وهو طالبٌ مُتخرج.
وطريقته تعتمد في جعل الروبوتات
تبني وبشكلٍ ذاتي التحكم
أبنيةً مُكعبةَ الشكل
من أشياء تُشابه الحِزَم.
هذه الطريقة تُخبر الروبوت
أي قطعةٍ يجب أن يحملها ،
ومتى وأين يضعها.
ففي هذا المشهد الذي تُشاهدونه --
وتم تسريعه مابين 10 إلى 14 مرة --
تُشاهدون ثلاثة هياكل مختلفة يتم بناءها بواسطة تلك الروبوتات.
ومرةً أخرى كل شيءٍ ذاتي التحكم ،
وكل ما على "كوينتين " عمله
أن يُعطيهم المُخطط
للتصميم الذي يريدهم أن يبنوه.
جميع تلك التجارب التي رأيتموها حتى الاّن ،
جميع تلك العروض ،
تم عملها بمساعدة أنظمة إلتقاط الصور السريعة.
مالذي يحدث عندما تُغادر المُختبر
وتكون في الخارج في العالم الحقيقي؟
وماذا لو لم يكن هناك أجهزة تحديد المواقع "جي بي اس" ؟
هذا الروبوت
مُزودٌ بكاميرا
و لاقط أشعة ليزر "H" ، ماسح لأشعة الليزر.
ويستخدم أجهزة الإستشعار هذه
ليبني خريطةً للبيئة المحيطة.
ما تتألف منه هذه الخريطة هي معالم --
مثل ممرات ، نوافذ ،
أشخاص ، أثاث --
ومن ثم تُحدد موقعها الحالي
بالنسبة للمعالم الظاهرة.
لا يوجد هُناك نظام إحداثياتٍ قياسي.
نظام الإحداثيات يعتمد على الروبوت ،
أين يوجد ومالذي ينظر اليه.
ويقوم بالتجول نسبةً الى تلك المعالم.
أريد أن أعرض عليكم مشهداً
عن الطريقة التي طوّرها " فرانك شين"
والبروفوسور "ناثان مايكل"
والذي يُظهر روبوتاً يدخل مبنىً للمرة الأولى
ويبني هذه الخريطة فوراً.
ومن ثم يحدد الروبوت ما هي المعالم.
إنه يبني الخريطة.
يحدد موضعه بالنسبة للمعالم
ومن ثم يُقدر موقعه
100 مرة في الثانية
مما يُمكننا من استخدام تلك الطريقة
التي شرحتها سابقاً.
هذا الروبوت يستقبل الأوامر
عن بُعد بواسطة "فرانك".
لكن الروبوت بإمكانه أيضاً تحديد
أين يذهب من تلقاء نفسه.
إفترضوا أنني أريد إرسال هذا الروبوت داخل مبنى
ولا يوجد لدي فكرة عن ما يبدو عليه هذا المبنى ،
يُمكنني الطلب من الروبوت أن يذهب إلى الداخل ،
ويُنشئ خريطة
ويعود ويخبرني ما يبدو عليه المبنى.
الروبوت في هذه الحالة لا يحل فقط مُشكلة ،
كيف تذهب من النقطة A الى النقطة B على هذه الخريطة ،
لكنه أيضاً يُحدد
ماهي أفضل نُقطة B في كل لحظة.
يعرف أين يذهب بشكلٍ أساسي
للبحث عن أماكن فيها القليل من المعلومات.
وتلك هي كيفية رسم هذه الخريطة.
سوف أترككم
مع تطبيقٍ أخير.
ويوجد هناك الكثير من التطبيفات لهذه التكنولوجيا.
إنني بروفيسور ، ونحن عاطفيون تجاه التعليم.
الروبوتات مثل هذه يمكنها بالفعل تغيير الطريقة
التي نعمل بها "K" خلال التعليم في المراحل ال 12.
لكننا في جنوب كاليفورنيا ،
قريبين من لوس أنجلوس ،
لذا سوف أختم
بشيء يُركز على الترفيه.
أريد أن أختم بمشهدٍ موسيقي.
أريد أن أقدم المخترعين "دانييل" و "أليكمس" ،
اللذان عملا هذا المشهد.
(تصفيق)
ولكن قبل أن أبدأ عرض المشهد ،
أريد أن أخبركم أنهم أنجزوه في الثلاثة الأيام السابقة
بعد أن تلقوا إتصالاً من "كريس".
والروبوتات التي في المشهد
ذاتية التحكم تماماً.
سوف تُشاهدون تسعة روبوتات تعزف ستة آلاتٍ مُختلفة.
وبالطبع تم عملها خصيصاً ل "TED 2012".
دعونا نُشاهد.
(موسيقى)
(تصفيق)