W jaki sposób roboty mogą rozpoznać przeszkody ukryte pod gruntem?
Przed rozpoczęciem eksploracji nieznanego świata konieczne będzie dokładne rozpoznanie nie tylko jego powierzchni, lecz także warstw znajdujących się pod nią. Zespół badawczy z Virginia Tech przygotował zestaw narzędzi wykorzystujących analizę drgań do ustalania głębokości, na której mogą znajdować się podziemne skały. Wyniki prac opublikowano na łamach czasopisma „IEEE Sensors Journal”.
Opracowane rozwiązanie może w przyszłości wspierać łaziki podczas lądowania i poruszania się po Marsie oraz Księżycu, a także podczas eksploracji innych niezbadanych światów. Podobna technologia mogłaby być przydatna również na Ziemi, na przykład przy sprawdzaniu terenów przeznaczonych pod budowę oraz podczas działań po katastrofach, kiedy pod powierzchnią mogą znajdować się niebezpieczne obiekty.
Inżynierowie zwracają uwagę, że przygotowanie miejsca do lądowania statku kosmicznego na Marsie wymaga uwzględnienia wielu właściwości terenu. Znaczenie mają między innymi jego wysokość, ukształtowanie oraz wielkość znajdujących się na nim skał.
W przypadku napotkania głazu utrudniającego pracę zrobotyzowana koparka mogłaby podjąć próbę jego rozkruszenia. Inaczej wyglądałaby sytuacja, gdyby skała była głęboko osadzona w gruncie. Podejmowanie prób jej usunięcia mogłoby wówczas prowadzić do niepotrzebnego zużycia energii i narzędzi, mimo że przeszkody nie dałoby się przemieścić.
Jak wskazują naukowcy, obecność dużych i ciężkich obiektów od dawna bierze się pod uwagę podczas robót budowlanych. Człowiek może stosunkowo łatwo ocenić położenie napotkanej skały. Na podstawie jej wyglądu jest w stanie rozpoznać, czy znajduje się na powierzchni, czy została częściowo przykryta gruntem, a także ocenić możliwość jej przesunięcia bez użycia specjalistycznego sprzętu. Dla robotów wykonanie takiej oceny jest znacznie trudniejsze. Nowe narzędzia mają umożliwić im samodzielne rozpoznawanie podobnych przeszkód.
Sztuczna inteligencja pomoże określić położenie skał pod ziemią
Zespół badawczy przygotował rozwiązanie, które może usprawnić działanie robotów wykonujących prace ziemne. W ramach eksperymentu naukowcy umieścili w piasku 18 betonowych bloków różniących się wielkością i kształtem. Każdy z nich został zakopany na innej głębokości. Następnie badacze uderzali młotkiem wyposażonym w czujniki w odsłonięte części bloków. Wywołane w ten sposób drgania rejestrowano zdalnie przy użyciu skanującego wibrometru laserowego Dopplera (laser Doppler vibrometer).
Pomiary wykonano w kilku miejscach na powierzchni betonowych obiektów. Zgromadzone w ten sposób informacje trafiły następnie do sieci neuronowej, która uczyła się powiązań między właściwościami drgań, widocznym fragmentem skały oraz głębokością jej zakopania.
Na podstawie uzyskanych wyników naukowcy przygotowali zbiór danych służący do trenowania sztucznej inteligencji. Model porównywał poszczególne pomiary i analizował występujące między nimi zależności. Na charakterystykę drgań oddziaływało jednak kilka elementów. Należały do nich twardość podłoża, sposób zetknięcia skały z piaskiem oraz właściwości gruntu otaczającego badany obiekt. Uwzględnienie tych parametrów pozwoliło opracować modele umożliwiające wiarygodne szacowanie głębokości, na której mogą znajdować się skały.
Badacze podkreślają, że określenie położenia podziemnych obiektów wyłącznie na podstawie analizy drgań stanowiło trudne zadanie. Rejestrowane sygnały zmieniały się bowiem w zależności zarówno od geometrii skały, jak i cech podłoża, w którym się znajdowała. Dlatego naukowcy odpowiednio dobrali parametry opisujące drgania oraz widoczne fragmenty badanych obiektów. Pozwoliło im to uzyskać wiarygodne rezultaty przy zastosowaniu stosunkowo niewielkiej sieci neuronowej, wyposażonej w dwie warstwy przetwarzania danych.
Nowa metoda może znaleźć zastosowanie również na Ziemi
W przyszłości opracowane modele mogłyby zostać wykorzystane przez zrobotyzowane koparki pracujące na Marsie. Pomagałyby im identyfikować przeszkody znajdujące się pod powierzchnią i dobierać odpowiedni sposób postępowania. Obecnie naukowcy planują jednak rozszerzyć zbiór danych oraz kontynuować eksperymenty na Ziemi.
Metoda może być również wykorzystywana do sprawdzania stabilności formacji skalnych, rozpoznawania podziemnych jaskiń oraz prowadzenia prac związanych z usuwaniem skutków katastrof.
Mariusz Drzewiecki
