Учёные МФТИ и Сколтеха создали алгоритм управления роботами-шмелями для полёта в экстремальных условиях

Российские исследователи из Московского физико-технического института и Сколковского института науки и технологий разработали алгоритм стабилизации полёта для миниатюрных роботов с машущими крыльями. Работа, опубликованная в журнале Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, основана на аэродинамических принципах, которые используют шмели — одни из самых манёвренных насекомых в природе. Новая система позволяет виртуальной модели робота сохранять устойчивость даже при сильных порывах ветра, открывая перспективы для применения таких устройств в самых сложных условиях.

Создание роботов, которые летают как насекомые, — задача, которая десятилетиями стоит перед инженерами. В отличие от квадрокоптеров с винтами, машущие крылья обеспечивают манёвренность, недоступную традиционным дронам. Но платой за это становится нестабильность: микророботы крайне чувствительны к ветру и любым внешним возмущениям. Традиционные линейные контроллеры, используемые для управления, удерживают модель только при силе ветра до 50–60 процентов от веса объекта. Как только ветер усиливается, робот теряет управление.

Новый гибридный алгоритм, разработанный в МФТИ и Сколтехе, кардинально меняет ситуацию. Он стабилизирует полёт при ударах ветра, в полтора раза превышающих вес робота. Время восстановления после возмущения составляет от трёх до шести секунд. Система управляет тремя ключевыми параметрами движения крыла: амплитудой взмаха, наклоном траектории и углом поворота крыла вокруг оси. Это позволяет роботу адаптироваться к изменениям воздушного потока почти так же, как это делает настоящий шмель.

Исследователи подчёркивают, что их разработка — не просто улучшение существующих контроллеров, а принципиально новый подход к управлению машущим полётом. Руководитель исследовательской группы Центра искусственного интеллекта Сколтеха Николай Ефанов, доцент кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ, пояснил: «Наш метод позволяет роботу сохранять устойчивый полёт в гораздо более широком диапазоне условий. Это особенно важно для микророботов, которым предстоит работать в экстремальной среде: между деревьями, внутри зданий, в поисково-спасательных операциях, при мониторинге инфраструктуры или опылении растений в теплицах».

В будущем такие роботы-шмели смогут проникать в завалы после землетрясений и других катастроф, где традиционные дроны не способны маневрировать из-за размеров и турбулентности воздуха. Они смогут опылять растения в теплицах — задача, которая сейчас решается вручную или с помощью крупных механизмов. А благодаря малым размерам они способны вести незаметную разведку, оставаясь невидимыми для наблюдателей.

Следующий этап работы научной группы — усложнение модели и проверка гибридного контроллера в связке с нейросетями для полностью автономной навигации. Это позволит роботам не только сохранять устойчивость, но и самостоятельно прокладывать маршруты в незнакомой среде, уклоняясь от препятствий и адаптируясь к изменениям воздушных потоков в реальном времени.

Шмели летают вопреки законам аэродинамики, которые, казалось бы, запрещают им это делать. Теперь инженеры, вдохновлённые природой, создают роботов, которые будут делать то же самое — летать там, где не может ни один другой аппарат, и выполнять задачи, которые ещё вчера казались фантастикой.