Owad dobrze zaprogramowany

Po co armii cyberinsekty, skoro lepsze efekty można osiągnąć po zbudowaniu robota?

 

Niewielki chrząszcz spokojnie stał w rogu białego stołu. Po chwili powoli ruszył do przodu. Zatrzymał się i za moment wzbił się w powietrze. Zawisł nad blatem na wysokości kilkudziesięciu centymetrów, po czym gwałtownie poleciał w górę, by równie szybko opaść w dół. Dla postronnego obserwatora był jedynie zwykłym insektem. Dla naukowców, którzy siedzieli w pokoju obok za niewielką konsoletą, przełomem w pracy. To oni bowiem, za pomocą komputera i zainstalowanych w ciele robaka układów scalonych, sterowali ruchami owada, a dokładniej cyberinsekta.

Owady fascynują inżynierów od bardzo dawna. Ale nie może być inaczej, skoro potrafią one – w przeciwieństwie chociażby do ssaków – robić rzeczy wydawałoby się niezgodne z prawami fizyki. Ot taka zwykła na pozór mucha. Jak ująć w matematyczne wzorce to, że ten niewielki, ważący kilka gramów owad potrafi latać w ekstremalnych warunkach pogodowych, wykonując lotnicze manewry błyskawicznie i po mistrzowsku. Kiedy naukowcy byli w stanie zmierzyć prędkość ruchu jego skrzydeł, nie mogli wyjść z podziwu – 200 razy na sekundę! To średni wynik. Co oznacza, że były egzemplarze robiące to szybciej.

 

Teoria lotu

Co ciekawe, przez długi czas w zasadzie nie było wiadomo, w jaki sposób owady latają. Bo o ile analiza lotu ptaków była banalnie prosta, jako że do obserwacji nie były potrzebne wyrafinowane przyrządy, o tyle obserwację owadów umożliwił dopiero rozwój techniki.

Pionierem badań w tej dziedzinie był pracujący na uniwersytecie w Cambridge duński zoolog Torkel Weis-Fogh. Stał się rozpoznawalny w środowisku naukowym na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych ubiegłego wieku dzięki opublikowaniu pracy pt. „The Respiratory Exchange of the Desert Locust (Schistocerca Gregaria) before, During and After Flight”, poświęconej szarańczy pustynnej, a dokładniej temu, ile przeciętny osobnik tego gatunku zużywa tlenu. Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych Duńczyk poświęcił się z kolei analizie lotu owadów. Dzięki technologicznej rewolucji w fotografii, w postaci pojawienia się kamer umożliwiających rejestrację ponad 500–600 klatek na sekundę, mógł on dokładnie przeanalizować ruch owadzich skrzydeł. Na bazie wniosków z badań, prowadzonych przez kilka lat nad różnymi gatunkami insektów, sformułował on ogólną teorię lotu owadów, noszącą dziś nazwę od jego nazwiska. Weis-Fogh stwierdził, choć to ogromne uproszczenie, że ruch skrzydeł owadów służy do wywoływania wirów powietrza.

Niestety, choć opracowana przez Weis-Fogha teoria lotu owadów okazała się naukowym przełomem, dopiero 20 lat później udało się inżynierom zbudować robota, który wzniósł się w powietrze na miniaturowych, owadzich skrzydłach, poruszających się – co najważniejsze – dokładnie tak samo jak pierwowzór. Dokonał tego neurobiolog Michael Dickinson z uniwersytetu w Berkeley. Ten sam naukowiec otrzymał w 1998 roku, wspólnie z inżynierem Ronem Fearingiem, 3 mln dolarów w ramach grantu z wojskowej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) na opracowanie dla amerykańskiej armii robota-owada. Do pracy zaprosili oni wyróżniającego się studenta uniwersytetu w Berkeley, Roba Wooda. I choć nie odnieśli pełnego sukcesu, gdyż udało się tylko (albo aż) zbudować mechanizm skrzydeł owada, to efekty ich działania doczekały się dalszego ciągu. W 2004 roku, po ukończeniu Berkeley, Wood otrzymał propozycję pracy w konkurencyjnym Harvardzie, gdzie objął stanowisko szefa nowego laboratorium. To właśnie tam, w 2006 roku, po raz pierwszy zaprezentowano światu Robobeesa – ważący 60 mg mikrorobot, który poruszał się za pomocą skrzydeł działających dokładnie tak samo jak te owadzie.

Znamienny jest fakt, że dokładnie w tym samym czasie, gdy Wood prezentował efekty swoich prac badawczo-rozwojowych, DARPA odbierała, w nieco mniej oficjalnej i rozpowszechnionej publicznie atmosferze, wyniki prac nad cyberinsektami. Co to takiego? W skrócie można powiedzieć, że są to owady, których część narządów albo zastąpiono podzespołami elektronicznymi, albo je nimi „uzupełniono”. Na jednym z filmów z tych badań, które kilka lat temu przedostały się do internetu, widać, jak nieduża ćma jest komputerowo sterowana w czasie lotu! Układ nerwowy owada jest pobudzany przez mikroprocesor umieszczony na odwłoku.

Po co armia rozwija cyberinsekty, skoro lepsze efekty można osiągnąć po zbudowaniu robota? Odpowiedź jest bardzo prosta. Robot, jak każda maszyna, potrzebuje do działania energii. Ta zaś nie jest niewyczerpalna, lecz ściśle uzależniona od ogniwa zasilającego. Pół insekt, pół robot ma tę przewagę, że gdy bateria mu się wyczerpie, odleci (do bazy, np. ula) o własnych siłach. Robot, któremu skończy się zasilanie, zostanie albo zniszczony, albo przejęty przez przeciwnika.

 

Do czego? Do wszystkiego!

Od czasu prezentacji Robobeesa minęło już 11 lat i postęp w dziedzinie robotyzacji można określić tylko wielkimi słowami, jak: przełom, przepaść, przeskok generacyjny etc. Żadne z tych określeń nie będzie jednak przesadą. Miniaturyzacja elektroniki obserwowana w ostatnich latach to lawina nowości. Nie ma miesiąca, żeby naukowcy nie zaprezentowali jeszcze mniejszych podzespołów, jeszcze wydajniejszych ogniw zasilających, jeszcze wytrzymalszych materiałów, z których są budowane roboty. Na to, czego jesteśmy świadkami, niektórzy używają nawet określenia „dronowa rewolucja”.

Jeśli chodzi o militarne zastosowanie owadów robotów oraz cyberinsektów, to w najbliższych latach wojsko raczej będzie dalej wspierać tę pierwszą rodzinę, traktując drugą jako tylko ciekawą alternatywę. Stuprocentowa maszyna daje bowiem armii zdecydowanie większą kontrolę i możliwości bojowego zastosowania. Z jednej strony, łatwo sobie wyobrazić sytuację, w której zarówno półrobot, jak i pełen twór mechaniczno-elektroniczny, z podobnym skutkiem realizują zadania rozpoznawcze (mała kamerka na grzbiet i do boju). Z drugiej jednak, żywa istota średnio nadaje się do tego, aby być np. dronem samobójcą. Owszem, ważący miligramy robocik, który leci normalnie, nie narobi wielkiej szkody. Ale czy pani nauczycielka nie ostrzegała podczas wizyty w Pałacu Kultury, że moneta zrzucona z tarasu może zabić kogoś na dole? Właśnie. Roboinsekt lecący w dół niczym kamień może mieć zadziwiającą siłę niszczenia.

Czynnikiem, który w dużej mierze zadecyduje o użyciu owadów robotów i modeli roboidalnych, będzie ich cena. Bo choć nie ma wątpliwości, że wojsko na całym świecie potrzebuje rozwiązań zaawansowanych technologicznie, to jednocześnie chyba nie odkryjemy Ameryki stwierdzeniem, że najlepiej, aby były to wynalazki w miarę tanie. Dziś budżety obronne nie są już niczym oceany bez dna, jak to było w złotych dla zbrojeń latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Stuprocentowe roboty mają zdecydowaną przewagę nad półrobotami również w tym aspekcie, że nie tylko mogą powstać z komponentów komercyjnych, lecz za jakiś czas same też mogą się stać towarem. Zawsze znajdą się chętni na kupienie sterowanego radiowo żywego karalucha czy chrząszcza, jednak – w mojej ocenie – będzie to popyt liczony w tysiącach, a nie dziesiątkach tysięcy, jak w przypadku stuprocentowych, elektronicznych dronów. 

Krzysztof Wilewski

autor zdjęć: The Lightwriter/Fotolia





Ministerstwo Obrony Narodowej Wojsko Polskie Sztab Generalny Wojska Polskiego Dowództwo Generalne Rodzajów Sił Zbrojnych Dowództwo Operacyjne Rodzajów Sił Zbrojnych Wojska Obrony
Terytorialnej
Żandarmeria Wojskowa Dowództwo Garnizonu Warszawa Inspektorat Wsparcia SZ Wielonarodowy Korpus
Północno-
Wschodni
Wielonarodowa
Dywizja
Północny-
Wschód
Centrum
Szkolenia Sił Połączonych
NATO (JFTC)
Inspektorat Uzbrojenia

Wojskowy Instytut Wydawniczy (C) 2015
wykonanie i hosting AIKELO