В MIT создали чип, который даёт крошечным роботам возможность строить 3D-карты на ходу

قدم باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) رقاقة جديدة قادرة على تحويل الروبوتات الصغيرة جداً إلى ملاحين مستقلين تماماً. يجمع الجهاز بين وحدة أجهزة متخصصة وخوارزمية محسّنة — معاً، يقومان بإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد للبيئة المحيطة في الوقت الفعلي مع استهلاك أدنى للذاكرة والطاقة.

التحدي: روبوت صغير، بيئة معقدة

تجذب الروبوتات الصغيرة المهندسين لسبب واضح: يمكنها الزحف إلى أماكن لا يستطيع الإنسان أو الآلات الكبيرة الوصول إليها. لكنها تواجه قيداً أساسياً — الهيكل الضيق يتسع فقط لبطارية مصغرة وشريحة منخفضة الطاقة. الخوارزميات الكلاسيكية للملاحة، مثل SLAM (الموضعية والرسم المتزامن للخرائط)، تتطلب حسابات كبيرة. بناء خريطة ثلاثية الأبعاد لمساحة غير معروفة مع تتبع موضع الروبوت نفسه فيها في الوقت ذاته — مهمة تستهلك في تنفيذها القياسي جيجابايتات من الذاكرة وعدة واتات من الطاقة. بالنسبة لجهاز بحجم الخنفساء، هذا غير عملي.

علاوة على ذلك، تخزن تطبيقات SLAM القياسية الخرائط كمصفوفات ثلاثية الأبعاد كثيفة: يزداد حجم البيانات بسرعة مع حجم المساحة المستكشفة، مما يجعلها غير قابلة للتطبيق بشكل أساسي في الأنظمة المضمنة ذات الذاكرة المحدودة. الحل القياسي — نقل بيانات المستشعرات الخام إلى جهاز كمبيوتر خارجي، واستقبال الخريطة المكتملة. يعمل هذا في المختبر، لكنه يفشل حيث لا توجد اتصالات: تحت الأنقاض، في الأنابيب الضيقة، داخل جسم الإنسان.

الخوارزمية والأجهزة كحل موحد

طبقت فريق MIT نهج التصميم المشترك للأجهزة والبرمجيات: طُورت خوارزمية الرسم والمسرع الحسابي معاً من الصفر. النتيجة هي شريحة حيث تُحسَّن كل عملية لأجهزة محددة، بدلاً من محسب عام.

• أعيدت كتابة الخوارزمية لتقليل عمليات الوصول إلى الذاكرة وتستخدم تمثيل خريطة إضافي مضغوط
• تعالج وحدة الأجهزة المراحل الأكثر استهلاكاً للموارد بالتوازي
• يتم بناء خريطة ثلاثية الأبعاد مباشرة على متن الجهاز، دون نقل البيانات للخارج
• ينخفض استهلاك الطاقة إلى مستوى مناسب للبطاريات الصغيرة جداً

هذا النهج ليس جديداً في الإلكترونيات الدقيقة بشكل عام، لكن نادراً ما يُطبق على مهام ملاحة الروبوتات. تحسن معظم الفريق إما الخوارزمية أو تنشئ أجهزة متخصصة. القيام بكليهما لمهمة واحدة أصعب، لكن هذا بالضبط ما يعطي ربحاً متعددة الأضعاف في الكفاءة. قدم الباحثون من MIT تفاصيل البنية في منشور أكاديمي، لكن المعاملات المحددة للدقة والسرعة في السيناريوهات المرجعية لم تُفصح عنها علانية حتى الآن.

حيث تكون الخريطة بدون خادم ضرورية

هناك عدة تطبيقات عملية — يوحدها خاصية واحدة: البيئات التي لا توجد فيها اتصالات مع المشغل ولا مجال للأسلاك.

• عمليات البحث والإنقاذ — روبوتات تحت الأنقاض بعد الزلازل، حيث لا يوجد نظام تحديد المواقع العالمي وإشارة راديو مستقرة
• الطب — المسابر الجراحية وأنظمة إيصال الأدوية الموجهة التي تعمل داخل الجسم بدون سلك تحكم
• الفحص الصناعي — خطوط الأنابيب والقنوات والتجاويف التفاعلية التي لا يمكن للإنسان الوصول إليها
• الزراعة — طائرات صغيرة بدون طيار لمراقبة المحاصيل أو التلقيح في الدفيئات المغلقة

يكمن الاهتمام الخاص في التطبيقات الطبية: يمكن للمسابر المستقلة التي لا تتطلب تحكماً مستمراً بالسلك أن تبسط إجراءات الجراحة قليلة التوغل بشكل كبير. في جميع الحالات الأخرى، القدرة الأساسية واحدة — اتخاذ قرارات الملاحة بشكل مستقل، بدون بنية تحتية حسابية خارجية.

ماذا يعني هذا

تلغي شريحة MIT التسوية التي تحمل بها صناعة الروبوتات منذ فترة طويلة: إما جهاز كبير برفاهيته عالية محسوبة، أو جهاز مضغوط يعتمد على البنية التحتية الخارجية. إذا أصبحت وحدة مماثلة جزءاً من صندوق أدوات المطورين القياسي، فستحصل الأجهزة المستقلة الصغيرة جداً على إمكانية الوصول إلى بيئات كانت مغلقة فيزيائياً أمامهم سابقاً.