Ptaki pomogą w projektowaniu dronów
Obserwowanie ptaków stało się kiedyś dla ludzi inspiracją do wzbicia się w powietrze, a dziś, wraz z pojawieniem się dronów i miejskiej mobilności powietrznej – ponownie interesujemy się umiejętnościami naszych skrzydlatych przyjaciół. „Ptaki posiadają niezrównaną zdolność do lądowania na obiektach o niewielkiej powierzchni, chwytania ruchomych celów i unikania kolizji – a tak się składa, że są to ważne wyzwania stojące przed obecnymi technologiami dronów, których jak dotąd nie udało się pokonać”, mówi Graham Taylor, profesor biologii matematycznej na Uniwersytecie Oksfordzkim. Zainspirowany tymi zdolnościami, a ponadto zmotywowany dzięki wsparciu finansowanego przez UE projektu HawkEye, Taylor postanowił zbadać, w jaki sposób ptaki używają wzroku do wytyczania kierunku i kontrolowania lotu. „Naszym celem jest zastosowanie tych wniosków na potrzeby projektowania autonomicznych systemów lotniczych”, dodaje.
Ptaki spotykają się z technologią big data
Korzystając z laboratorium wyposażonego w technologię przechwytywania ruchu, zbudowanego specjalnie na potrzeby tego badania, w ramach projektu uzyskano zapisy ponad 20 000 lotów różnych gatunków ptaków. „Ten projekt naprawdę wprowadził badania nad lotem zwierząt w erę dużych zbiorów danych”, zauważa Taylor. Aby potwierdzić wyniki uzyskane w laboratorium za pomocą badań terenowych, uczeni opracowali również nowe techniki szybkiej wideografii i rejestrowania danych w oparciu o GNSS. Te nowe techniki pozwoliły zespołowi rejestrować ruch ptaków w terenie, i to z dokładnością do zaledwie kilku centymetrów. „Wyniki naszych badań z użyciem techniki przechwytywania ruchu i symulacji komputerowych zostały zweryfikowane na podstawie wyników prób terenowych, obejmujących wszelkie możliwe przypadki, od sokołów polujących na głuszce w Szkocji po jastrzębie ścigające stada nietoperzy w Nowym Meksyku”, wyjaśnia Taylor.
Zachowania ptaków z perspektywy matematyki
Według Taylora, te połączone ramy obliczeniowe i eksperymentalne otworzyły kolejne drzwi do świata naturalnych zachowań latających zwierząt, ujawniając nowe fakty. Na przykład, badacze mogli wreszcie zrozumieć, w jaki sposób ptaki potrafią wylądować na gałęzi, przechwytywać ruchome cele i unikać kolizji, ale oprócz tego właśnie odkryli, że ptaki potrafią z dużą dokładnością modelować – a nawet przewidywać – tego typu trudne zadania. Oprócz poznania metod wykorzystywanych do realizacji poszczególnych zadań przez ptaki uczeni z projektu dowiedzieli się też, dlaczego wykonują je akurat w taki, a nie inny sposób. Badacze doszli na przykład do wniosku, że ptaki wykorzystują szybowanie jako sposób przemieszczania się między gałęziami, aby zminimalizować odległość od miejsca lądowania, gdzie następuje ryzykowne nagłe zatrzymanie ruchu. „Co najważniejsze, potrafimy zrozumieć te zachowania w sposób matematyczny, podobnie jak inżynier systemów sterowania rozumie system naprowadzania pojazdu, który zaprojektował”, zauważa Taylor. „Oznacza to, że zidentyfikowane przez nas mechanizmy są gotowe do wdrożenia w systemach autonomicznych”.
Pewne niespodzianki
Jak każde badanie naukowe, projekt HawkEye, który otrzymał wsparcie Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, również napotkał na swej drodze pewne nieoczekiwane zdarzenia. Oczywiście, wśród nich znalazły się wyzwania związane z pandemią COVID-19, ale nie tylko, gdyż zespół musiał zmierzyć się z problemami specyficznymi dla rodzaju wykonywanych prac terenowych – w pamięć zapadł głównie jadowity grzechotnik, który postanowił użyć sprzętu fotograficznego jako leżaka do opalania. Niemniej największą niespodzianką była chyba możliwość zastosowania wyników projektu w dziedzinach niezwiązanych z rozwojem technologii autonomicznego lotu. „Kiedy zaczynałem swoje badania, główne zastosowania, jakie przychodziły mi do głowy, dotyczyły pojazdów autonomicznych”, podsumowuje Taylor. „Czego zupełnie nie przewidziałem, to możliwość zastosowania wyników w niektórych nowych dziedzinach, od zapobiegania kolizjom ptaków z turbinami wiatrowymi po powstrzymywanie ich przed siadaniem na różnych konstrukcjach”. Oprócz postępów w dziedzinie projektowania samolotów, Taylor chciałby skupić się również na wspominanych dodatkowych obszarach zastosowania, w związku z czym złożył wniosek o sfinansowanie dalszych badań w tym zakresie, w tym dotyczących uczenia się zachowań w locie.
Słowa kluczowe
HawkEye, ptaki, drony, autonomiczne systemy lotnicze, miejska mobilność powietrzna, lot, big data, duże zbiory danych, GNSS, autonomiczny lot, projektowanie samolotów
