Een nieuwe piepkleine drone kan dankzij kunstmatige snorharen door het donker navigeren en daarbij zelfs een onbekende ruimte in kaart brengen.
Ratten en muizen hebben geen lamp nodig om zich door een donker hol te bewegen: hun snorharen vertellen waar muren, obstakels en openingen zitten. Onderzoekers van de TU Delft hebben dat principe nu toegepast op een kleine drone. Ze rustten het vliegende robotje uit met twee kunstmatige snorharen. Daarmee kan de drone obstakels voelen, langs oppervlakken vliegen en zijn omgeving verkennen zonder daarbij camera’s te gebruiken. De studie verscheen in Nature Communications.
Klein en licht
Voor kleine drones is navigeren lastig: ze wegen weinig en kunnen daarom maar een beperkte hoeveelheid sensoren, chips en batterijen meenemen. Camera’s en lasers zijn vaak al te zwaar en kunnen bovendien problemen krijgen wanneer het donker is of wanneer er rook of spiegelende oppervlakken aanwezig zijn. De onderzoekers zochten daarom naar een andere manier waarop zo’n drone zijn omgeving kan waarnemen. Ter inspiratie keken ze daarom naar dieren zoals ratten en mollen, die hun snorharen gebruiken om in donkere en nauwe ruimtes hun weg te vinden.
De onderzoekers bouwden twee flexibele kunstmatige snorharen en plaatsten die aan de voorkant van een kleine drone. Aan de basis van ieder snorhaar zitten drie kleine druksensoren. Wanneer een snorhaar een muur of ander voorwerp raakt buigt het een beetje. Die beweging zorgt voor veranderingen in de gemeten druk. Uit die informatie kan de drone afleiden waar het oppervlak zich bevindt en hoe ver weg dat is.
Trillende propellers
“We wilden drones maken die heel goed konden voelen”, zegt onderzoeker Salua Hamaza van de TU Delft. “Niet om voorwerpen vast te pakken, maar voor een nieuwe vorm van navigatie: vliegen door het onbekende met behulp van aanraking. Geïnspireerd door de natuur vonden we het antwoord in snorharen.”
De onderzoekers liepen al snel tegen een probleem aan: de propellers van een drone veroorzaken veel luchtstromen en trillingen. Die kunnen de druksensoren flink in de war brengen. De onderzoekers ontwikkelden daarom software die echte aanrakingen probeert te scheiden van ruis die door de drone zelf ontstaat. Zo kan het systeem drukveranderingen in de snorharen omzetten in een schatting van de afstand tot een oppervlak. Tijdens de experimenten gebeurde dat zelfs op millimeterschaal.
Opvallend is dat daarvoor geen hele snelle computer nodig is. “We wilden laten zien dat het toevoegen van tastzin aan een drone niet ten koste hoeft te gaan van formaat of rekenkracht”, zegt onderzoeker Chaoxiang Ye. “Het systeem voor tastwaarneming draait volledig aan boord en gebruikt slechts 34 kilobyte aan geheugen. Daardoor kan een kleine drone zijn omgeving in real time voelen en erop reageren.”
Omgevingen verkennen
De kunstmatige snorharen moesten zich ook in de praktijk bewijzen. De onderzoekers lieten de drone daarvoor onder meer vlak langs muren vliegen. Vaak met succes: zodra een snorhaar een oppervlak raakte kon de drone zijn koers aanpassen en langs dat oppervlak blijven bewegen.
Dat lukte niet alleen langs harde wanden, maar ook over een zachtere ondergrond van textiel. Tijdens andere proeven moest de drone langs glazen wanden navigeren. Ook dat bleek geen probleem te zijn: bij vijf herhalingen van twee verschillende proeven wist hij telkens de vooraf bepaalde bestemming te bereiken.
De onderzoekers gingen daarom nog een stap verder. Ze wilden weten of de drone ook een onbekende afgesloten ruimte kon verkennen. Om dat goed te kunnen doen was het tijd voor een upgrade: ze breidden de software uit met nieuwe functies waardoor de drone kan bepalen welke delen van een ruimte nog niet zijn onderzocht.
Leestip: Olifanten blijken snel te wennen aan observerende drones
Tijdens eerdere simulaties bleken de resultaten al veelbelovend te zijn: de drone vond in negen van de tien gevallen binnen vijf minuten de uitgang. Daarna testten de onderzoekers het principe in een echte ruimte van twee bij twee meter met glazen wanden en een deuropening van 80 centimeter. Ook daar wist de drone de omgeving te verkennen en de uitgang te vinden.
Dat betekent nog niet dat we binnenkort toegang zullen hebben tot kleine drones met snorharen. De onderzoekers noemen namelijk een aantal verschillende obstakels die eerst overkomen moeten worden. Zo kunnen de doorgegeven signalen van de snorharen kunnen na langere tijd gaan afwijken. Ook moet iedere drone voorlopig nog per stuk gekalibreerd worden. Daarnaast bleek dat het vliegen langs hele zachte oppervlakken lastiger kan zijn, omdat plooien in het materiaal de metingen kunnen verstoren.
We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Vliegende drones opladen met een laserstraal: is het accuprobleem opgelost? en Deze robotvogel laat zien hoe drones beter tegen turbulentie kunnen . Of lees dit artikel: Drone ontdekt dat er mogelijk dodelijk virus rondgaat onder walvissen .
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
