Vad kan flyga som en fågel och sväva som en insekt?

Dina vänliga kolibrier. Om drönare hade den här kombinationen, de skulle kunna manövrera bättre genom kollapsade byggnader och andra röriga utrymmen för att hitta instängda offer.

Forskare från Purdue University har konstruerat flygande robotar som beter sig som kolibrier, tränas av maskininlärningsalgoritmer baserade på olika tekniker som fågeln använder naturligt varje dag.

Detta innebär att efter att ha lärt sig från en simulering, roboten "vet" hur han ska röra sig på egen hand som en kolibri skulle, som att urskilja när man ska utföra en flyktmanöver.

Artificiell intelligens, kombinerat med flexibla flaxande vingar, låter roboten också lära sig nya trick. Även om roboten inte kan se ännu, till exempel, den känner av genom att röra vid ytor. Varje beröring ändrar en elektrisk ström, som forskarna insåg att de kunde spåra.

"Roboten kan i princip skapa en karta utan att se sin omgivning. Detta kan vara till hjälp i en situation när roboten kanske söker efter offer på en mörk plats - och det innebär en sensor mindre att lägga till när vi ger roboten möjligheten att ser, sa Xinyan Deng, en docent i maskinteknik vid Purdue.

Forskarna kommer att presentera sitt arbete den 20 maj vid 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation i Montreal.

Drönare kan inte göras oändligt mycket mindre, på grund av hur konventionell aerodynamik fungerar. De skulle inte kunna generera tillräckligt med lyft för att stödja sin vikt.

Men kolibrier använder inte konventionell aerodynamik - och deras vingar är fjädrande. "Fysiken är helt enkelt annorlunda; aerodynamiken är i sig instabil, med höga anfallsvinklar och högt lyft. Detta gör det möjligt för mindre, flygande djur att existera, och även möjligt för oss att skala ner flaxande vingrobotar, " sa Deng.

Forskare har i flera år försökt avkoda kolibriflyg så att robotar kan flyga dit större flygplan inte kan. Under 2011, företaget AeroVironment, på uppdrag av DARPA, en byrå inom det amerikanska försvarsdepartementet, byggde en robotkolibri som var tyngre än en riktig men inte lika snabb, med helikopterliknande flygkontroller och begränsad manövrerbarhet. Det krävde att en människa hela tiden befann sig bakom en fjärrkontroll.

Dengs grupp och hennes medarbetare studerade själva kolibrier under flera somrar i Montana. De dokumenterade viktiga kolibrimanövrar, som att göra en snabb 180-graderssväng, och översatte dem till datoralgoritmer som roboten kunde lära sig av när den var ansluten till en simulering.

Ytterligare studier om fysiken hos insekter och kolibrier tillät Purdue -forskare att bygga robotar mindre än kolibrier - och till och med så små som insekter - utan att äventyra deras sätt att flyga. Ju mindre storlek, ju högre vingflackande frekvens, och ju effektivare de flyger, säger Deng.

Robotarna har 3D-tryckta kroppar, vingar gjorda av kolfiber och laserskurna membran. Forskarna har byggt en kolibrirobot som väger 12 gram - vikten av en genomsnittlig vuxen Magnificent Hummingbird - och en annan insektsstor robot som väger 1 gram. Kolibrierroboten kan lyfta mer än sin egen vikt, upp till 27 gram.

Att designa sina robotar med högre lyftkraft ger forskarna mer rörelseutrymme för att så småningom lägga till ett batteri och avkänningsteknik, som en kamera eller GPS. För närvarande, roboten måste vara kopplad till en energikälla medan den flyger – men det kommer inte att vara så mycket längre, säger forskarna.

Robotarna kunde flyga tyst precis som en riktig kolibri gör, vilket gör dem mer idealiska för hemliga operationer. Och de håller sig stadiga genom turbulens, vilket forskarna demonstrerade genom att testa de dynamiskt skalade vingarna i en oljetank.

Roboten kräver bara två motorer och kan styra varje vinge oberoende av den andra, vilket är hur flygande djur utför mycket smidiga manövrar i naturen.

"En riktig kolibri har flera grupper av muskler för att göra kraft- och styrslag, men en robot ska vara så lätt som möjligt, så att du har maximal prestanda med minimal vikt, " sa Deng.

Robotkolibrier skulle inte bara hjälpa till med sök- och räddningsuppdrag, men också tillåta biologer att mer tillförlitligt studera kolibrier i deras naturliga miljö genom sinnena hos en realistisk robot.

"Vi lärde oss från biologin för att bygga roboten, och nu kan biologiska upptäckter ske med extra hjälp från robotar, " sa Deng.

Simuleringar av tekniken finns tillgängliga med öppen källkod på https://github.com/purdue-biorobotics/flappy.

Tidiga skeden av arbetet, inklusive Montana kolibriexperiment i samarbete med Bret Tobalskes grupp vid University of Montana, fick ekonomiskt stöd av National Science Foundation.