تساعد شريحة محسنة طائرات بدون طيار بحجم النحل على التنقل عبر الفضاء

تمكن الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذين طوروا العام الماضي شريحة كمبيوتر تساعد طائرات بدون طيار بحجم النحل على التنقل في الفضاء، من ترقية رقاقتهم بشكل أكبر، سواء من حيث الحجم أو استهلاك الطاقة.

التصميم الفني، الذي يسمح باستخدام طاقة منخفضة، سيسمح للأجهزة بحجم النحلة بتحديد اتجاهها أثناء الطيران.

تمكن الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذين طوروا العام الماضي شريحة كمبيوتر تساعد طائرات بدون طيار بحجم النحلة على التنقل عبر الفضاء، من ترقية شريحتهم بشكل أكبر، سواء من حيث الحجم أو استهلاك الطاقة. وقام الباحثون من قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب ببناء شريحة كاملة من القاعدة إلى المعالجة، مع التركيز على تقليل استهلاك الطاقة وتقليل حجمها المادي، وهي تحسينات تؤدي إلى زيادة سرعة معالجة المعلومات. وتستهلك شريحة الكمبيوتر المبتكرة، التي يبلغ حجمها 20 ملليمتراً مربعاً، طاقة بمعدل 24 ميلي واط فقط، وهي قيمة تعادل جزءاً من الألف من الطاقة اللازمة لتشغيل مصباح كهربائي. واستخدام مثل هذه الكمية الصغيرة من الطاقة يسمح للرقاقة بمعالجة الصور من الكاميرا، في الوقت الفعلي، بمعدل 171 إطارًا في الثانية، إلى جانب إجراء قياسات مستمرة، وهما ميزتان تسمحان للرقاقة بتحديد مكانها في الفضاء. ويقول الباحثون إنه يمكن دمج الشريحة في "طائرات بدون طيار نانوية" بحجم ظفر الإصبع، بهدف السماح للمركبات بالتنقل، خاصة في الأماكن النائية أو التي يتعذر الوصول إليها حيث لا تتوفر بيانات من أقمار الملاحة الصناعية. يمكن أيضًا استخدام الشريحة في أي جهاز أو روبوت صغير مطلوب للتنقل لفترات طويلة من الوقت عندما يكون لديه طاقة محدودة.

"يمكنني أن أتخيل استخدام هذه الشريحة في مجال الروبوتات التي تعتمد على استهلاك منخفض للطاقة، مثل الطائرات ذات الأجنحة المرفرفة بحجم ظفر الإصبع، أو الطائرات التي تزن أقل من الهواء، مثل بالونات الهواء الساخن، القادرة على العمل لمدة قال الباحث الرئيسي: "أشهر دون تغيير بطاريتهم". "أو تخيل الأجهزة الطبية، وهي نوع من الكبسولة التي يمكنك ابتلاعها، والتي يمكنها التنقل بذكاء باستخدام بطارية صغيرة للغاية تمنع ارتفاع درجة الحرارة داخل الجسم. ويمكن للرقائق التي نعمل على تطويرها أن تساعد في هذه التطبيقات."

في السنوات الأخيرة، طورت مجموعات بحثية متعددة طائرات بدون طيار مصغرة جدًا بحيث يمكن حملها في راحة يدك. يتخيل العلماء مركبات ملاحية صغيرة يمكنها الطيران والتقاط صور لمحيطنا، مثل المصورين أو رسامي الخرائط بحجم البعوض، قبل أن تعود وتهبط على راحة أيدينا. وفي الوقت نفسه، يمكن لطائرة بدون طيار بحجم كف أن تحمل كمية محدودة من الطاقة من البطارية، وهي الطاقة التي تستخدم في الغالب لتشغيل محرك الطائرة، ولا تترك سوى كمية صغيرة من الطاقة للعمليات الأساسية الأخرى، مثل الملاحة، وعلى وجه الخصوص، تقدير الموقف، أو إعطاء الروبوت القدرة على تحديد موقعه الدقيق في الفضاء.

يقول الباحث الرئيسي: "في مجال الروبوتات العادية، نأخذ أجهزة كمبيوتر جاهزة ونضيف إليها الخوارزميات، لأننا عادة لا نأخذ في الاعتبار مشكلة حد الطاقة المتاحة". "ولكن في أي مشروع يتطلب منا تقليل التطبيقات التي تستهلك القليل من الطاقة، يجب علينا التعامل مع تحديات البرمجة بطريقة مختلفة تمامًا."

وفي أبحاثهم السابقة، بدأ العلماء في معالجة مثل هذه المشكلات من خلال الجمع بين اللوغاريتمات والأجهزة على شريحة واحدة. تم تنفيذ تصميمهم الأولي على مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA)، وهي بنية تحتية تجارية للأجهزة يمكن تضمينها في تطبيق معين.

وكانت الشريحة قادرة على إجراء تقدير للحالة باستخدام 2 واط، مقارنة بالطائرات بدون طيار القياسية والأكبر التي تستخدم 10 إلى 30 واط لأداء نفس المهمة. ومع ذلك، كان استهلاك الطاقة للرقاقة أكبر من إجمالي كمية الطاقة المطلوبة، عادة، للطائرات بدون طيار المصغرة، والتي يقدرها الباحثون بمعدل حوالي 100 مللي واط.

ومن أجل تقليل استهلاك الشريحة للطاقة، قرر فريق البحث تقليل كمية البيانات - في شكل صور من الكاميرا والقياسات المستمرة - المخزنة في الشريحة في أي لحظة. كما سمح التصميم بترقية طريقة نقل هذه البيانات عبر الشريحة. يوضح الباحث: "جميع الصور التي كنا نخزنها مؤقتًا على الشريحة، نقوم في الواقع بتصغيرها وبالتالي استخدام ذاكرة أقل". كما قام الباحثون أيضًا بتقليل العمليات غير الضرورية، مثل إجراء عمليات حسابية بصفر تؤدي إلى نتيجة صفر، ووجد الباحثون طريقة لحذف هذه الخطوات الحسابية التي تتضمن أصفارًا. "لقد أتاحت لنا هذه الطريقة تجنب معالجة وتخزين كل هذه النتائج الفارغة، حتى نتمكن من تقليل كمية كبيرة من دورات التخزين والحساب غير الضرورية، وهي النتيجة التي أدت إلى تقليل الحجم المادي للرقاقة وزيادة سرعة معالجتها "، يختتم الباحث الرئيسي. وبفضل تصميمهم المبتكر، تمكن الباحثون من تقليص ذاكرة الشريحة من المستوى السابق البالغ 2 ميغا بايت، إلى مستوى 0.8 ميغا بايت فقط. وبالإضافة إلى ذلك، تمكن الباحثون من تقليل استهلاك الطاقة من 2 واط إلى 24 مللي واط. ويخطط فريق البحث لإثبات أداء رقاقته من خلال دمجها داخل سيارة سباق مصغرة، وفي نهاية المطاف داخل طائرات صغيرة بدون طيار.

أخبار الدراسة