Di masa depan, robot terbang kecil dapat dikerahkan untuk membantu pencarian korban selamat yang terjebak di bawah reruntuhan setelah gempa bumi dahsyat. Seperti serangga sungguhan, robot-robot ini dapat terbang melalui ruang sempit yang tidak dapat dijangkau oleh robot yang lebih besar, sekaligus menghindari rintangan yang tidak bergerak dan pecahan puing-puing yang berjatuhan.
Sejauh ini, robot mikro di udara hanya mampu terbang perlahan dengan lintasan yang mulus, jauh dari kemampuan terbang serangga sungguhan yang cepat dan lincah — hingga saat ini.
Peneliti MIT telah mendemonstrasikan robot mikro udara yang dapat terbang dengan kecepatan dan ketangkasan yang sebanding dengan robot biologis. Sebuah tim kolaboratif merancang pengontrol berbasis AI baru untuk bug robotik yang memungkinkannya mengikuti jalur penerbangan senam, seperti melakukan gerakan membalik tubuh secara terus menerus.
Dengan skema kontrol dua bagian yang menggabungkan kinerja tinggi dengan efisiensi komputasi, kecepatan dan akselerasi robot masing-masing meningkat sekitar 450 persen dan 250 persen, dibandingkan dengan demonstrasi terbaik para peneliti sebelumnya.
Robot yang cepat ini cukup lincah untuk menyelesaikan 10 jungkir balik berturut-turut dalam 11 detik, bahkan ketika gangguan angin mengancam akan mendorongnya keluar jalur.
“Kami ingin dapat menggunakan robot-robot ini dalam skenario di mana robot quad copter tradisional akan mengalami kesulitan untuk terbang, namun serangga dapat melakukan navigasi. Sekarang, dengan kerangka kendali bioinspired kami, kinerja penerbangan robot kami sebanding dengan serangga dalam hal kecepatan, akselerasi, dan sudut lemparan. Ini merupakan langkah yang cukup menarik menuju tujuan masa depan tersebut,” kata Kevin Chen, seorang profesor di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer (EECS), kepala Laboratorium Robotika Lunak dan Mikro di Laboratorium Penelitian Elektronika. (RLE), dan rekan penulis senior makalah tentang robot.
Chen bergabung dalam makalah ini dengan rekan penulis utama Yi-Hsuan Hsiao, seorang mahasiswa pascasarjana EECS MIT; Andrea Tagliabue PhD ’24; dan Owen Matteson, mahasiswa pascasarjana di Departemen Aeronautika dan Astronautika (AeroAstro); serta mahasiswa pascasarjana EECS Suhan Kim; Tong Zhao MEng ’23; dan rekan penulis senior Jonathan P. How, Profesor Teknik Ford di Departemen Penerbangan dan Astronautika dan peneliti utama di Laboratorium Sistem Informasi dan Keputusan (LIDS). Penelitian ini muncul hari ini di Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
Pengontrol AI
Kelompok Chen telah membuat robot serangga selama lebih dari lima tahun.
Mereka baru-baru ini mengembangkan versi robot kecil mereka yang lebih tahan lama, sebuah perangkat berukuran mikrokaset yang beratnya kurang dari penjepit kertas. Versi baru ini menggunakan sayap yang lebih besar dan mengepak sehingga memungkinkan pergerakan lebih lincah. Mereka ditenagai oleh sekumpulan otot buatan licin yang mengepakkan sayap dengan sangat cepat.
Namun pengontrolnya – “otak” robot yang menentukan posisinya dan memberi tahu ke mana harus terbang – disetel dengan tangan oleh manusia, sehingga membatasi kinerja robot.
Agar robot dapat terbang dengan cepat dan agresif seperti serangga sungguhan, diperlukan pengontrol yang lebih kuat yang dapat memperhitungkan ketidakpastian dan melakukan optimalisasi kompleks dengan cepat.
Pengontrol seperti itu akan terlalu intensif secara komputasi untuk digunakan secara real time, terutama dengan aerodinamika robot ringan yang rumit.
Untuk mengatasi tantangan ini, kelompok Chen bergabung dengan tim How dan, bersama-sama, mereka merancang skema kontrol dua langkah yang digerakkan oleh AI yang memberikan ketahanan yang diperlukan untuk manuver yang kompleks dan cepat, serta efisiensi komputasi yang diperlukan untuk penerapan waktu nyata.
“Kemajuan perangkat keras mendorong pengontrol sehingga ada lebih banyak hal yang dapat kami lakukan pada sisi perangkat lunak, namun pada saat yang sama, seiring dengan berkembangnya pengontrol, ada lebih banyak hal yang dapat mereka lakukan dengan perangkat keras. Saat tim Kevin mendemonstrasikan kemampuan baru, kami menunjukkan bahwa kami dapat memanfaatkannya,” kata How.
Untuk langkah pertama, tim membangun apa yang dikenal sebagai pengontrol prediktif model. Jenis pengontrol yang kuat ini menggunakan model matematis yang dinamis untuk memprediksi perilaku robot dan merencanakan serangkaian tindakan optimal untuk mengikuti lintasan dengan aman.
Meskipun komputasinya intensif, ia dapat merencanakan manuver yang menantang seperti jungkir balik di udara, belokan cepat, dan kemiringan badan yang agresif. Perencana berperforma tinggi ini juga dirancang untuk mempertimbangkan batasan gaya dan torsi yang dapat diterapkan robot, yang penting untuk menghindari tabrakan.
Misalnya, untuk melakukan beberapa gerakan membalik secara berturut-turut, robot perlu melakukan perlambatan sedemikian rupa sehingga kondisi awalnya tepat untuk melakukan gerakan membalik lagi.
“Jika kesalahan kecil terjadi, dan Anda mencoba mengulangi gerakan tersebut 10 kali dengan kesalahan kecil tersebut, robot akan jatuh. Kita perlu memiliki kontrol penerbangan yang kuat,” kata How.
Mereka menggunakan perencana ahli ini untuk melatih “kebijakan” berdasarkan model pembelajaran mendalam, untuk mengendalikan robot secara real time, melalui proses yang disebut pembelajaran imitasi. Kebijakan adalah mesin pengambilan keputusan robot, yang memberi tahu robot di mana dan bagaimana cara terbang.
Pada dasarnya, proses pembelajaran imitasi memampatkan pengontrol yang kuat menjadi model AI yang efisien secara komputasi dan dapat berjalan sangat cepat.
Kuncinya adalah memiliki cara cerdas untuk menciptakan data pelatihan yang cukup, yang akan mengajarkan kebijakan tersebut segala hal yang perlu diketahui untuk melakukan manuver agresif.
“Metode pelatihan yang kuat adalah rahasia dari teknik ini,” jelas How.
Kebijakan berbasis AI mengambil posisi robot sebagai perintah kontrol input dan output secara real time, seperti gaya dorong dan torsi.
Performa seperti serangga
Dalam eksperimen mereka, pendekatan dua langkah ini memungkinkan robot berskala serangga terbang 447 persen lebih cepat sekaligus menunjukkan peningkatan akselerasi sebesar 255 persen. Robot tersebut mampu menyelesaikan 10 jungkir balik dalam 11 detik, dan robot mungil tersebut tidak pernah menyimpang lebih dari 4 atau 5 sentimeter dari lintasan yang direncanakan.
“Pekerjaan ini menunjukkan bahwa robot lunak dan mikro, yang biasanya memiliki kecepatan terbatas, kini dapat memanfaatkan algoritme kontrol canggih untuk mencapai kelincahan yang mendekati kelincahan serangga alami dan robot yang lebih besar, sehingga membuka peluang baru untuk penggerak multimoda,” kata Hsiao.
Para peneliti juga mampu mendemonstrasikan gerakan sacade, yang terjadi ketika serangga melontarkan diri dengan sangat agresif, terbang dengan cepat ke posisi tertentu, dan kemudian melempar ke arah lain untuk berhenti. Akselerasi dan perlambatan yang cepat ini membantu serangga melokalisasi dirinya dan melihat dengan jelas.
“Perilaku penerbangan yang meniru bio ini dapat membantu kita di masa depan ketika kita mulai memasang kamera dan sensor pada robot,” kata Chen.
Menambahkan sensor dan kamera sehingga robot mikro dapat terbang di luar ruangan, tanpa harus terikat pada sistem penangkapan gerak yang rumit, akan menjadi bidang utama pekerjaan di masa depan.
Para peneliti juga ingin mempelajari bagaimana sensor onboard dapat membantu robot menghindari tabrakan satu sama lain atau mengoordinasikan navigasi.
“Bagi komunitas robot mikro, saya berharap makalah ini menandakan perubahan paradigma dengan menunjukkan bahwa kita dapat mengembangkan arsitektur kontrol baru yang berkinerja tinggi dan efisien pada saat yang bersamaan,” kata Chen.
“Pekerjaan ini sangat mengesankan karena robot-robot ini masih dapat melakukan pembalikan dan putaran yang cepat meskipun terdapat ketidakpastian besar yang disebabkan oleh toleransi fabrikasi yang relatif besar dalam manufaktur skala kecil, hembusan angin yang lebih dari 1 meter per detik, dan bahkan tambatan listrik yang membungkus robot saat melakukan pembalikan berulang kali,” kata Sarah Bergbreiter, seorang profesor teknik mesin di Universitas Carnegie Mellon, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini.
“Meskipun pengontrol saat ini dijalankan pada komputer eksternal dan bukan pada robot, penulis menunjukkan bahwa kebijakan pengendalian serupa, namun kurang tepat, mungkin dapat dilakukan bahkan dengan komputasi yang lebih terbatas yang tersedia pada robot berskala serangga. Hal ini menarik karena mengarah pada robot berskala serangga di masa depan yang memiliki kelincahan yang mendekati robot biologisnya,” tambahnya.
Penelitian ini sebagian didanai oleh National Science Foundation (NSF), Kantor Penelitian Angkatan Laut, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, MathWorks, dan Zakhartchenko Fellowship.
