Współczesne i przyszłe działania militarne wymagają użycia coraz doskonalszych systemów walki, zbierania i przetwarzania informacji czy ich logistycznego zabezpieczenia. Wysoki koszt pozyskania i eksploatacji sprzętu, jego zaawansowanie technologiczne czy realne, ograniczone możliwości działania w środowisku walki leżą u podstaw ciągłego poszukiwania nowych metod, pozwalających na jak najdłuższe, skuteczne operowanie. Jedną z takich metod jest zaadoptowanie naturalnych rozwiązań, dostarczanych przez otaczające nas środowisko - rośliny czy zwierzęta.
Przyroda dostarcza wielu przykładów rozwiązań mających lub mogących mieć zastosowanie w wojsku. Dotyczy to nie tylko systemów maskowania, przetrwania czy samoobrony, ale również wytwarzania nowych materiałów odznaczających się np. dużą wytrzymałością, małą masą czy elastycznością. W dobie gwałtownego rozwoju systemów bezzałogowych powstał jeszcze jeden obszar szczególnego zainteresowania - głównie Micro Air Vehicles (MAV) i Nano Air Vehicles (NAV), Autonomic Underwater Vehicles (AUV), czy Unmanned Ground Vehicles (UGV) opisywane, jako biomimetyczne, posiadające unikatowe zdolności do działania w środowisku morskim, powietrznym i lądowym dzięki naśladownictwu naturalnego ruchu zwierząt, w tym np. ryb czy owadów.
Takie zdolności nabierają szczególnego znaczenia zwłaszcza podczas prowadzenia operacji specjalnych czy inspekcyjno-ochronnych, gdzie ważne jest wykonanie skrytej obserwacji, przenikania czy precyzyjnego uderzenia na wybrane cele. Szczególnie dotyczy to wyspecjalizowanych jednostek starających się skrycie wykonać zadania związane z obszarem intelligence surveillance and reconnaissance (ISR) na małym, izolowanym teatrze działań.
Instytucje badawcze i naukowe w wielu krajach, jak amerykańskie Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) i Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz uniwersytety takie jak Carnegie Mellon, wśród wielu prowadzonych programów badawczych zajmują się również projektowaniem i rozwojem bezzałogowych platform biomimetycznych.
Jednym z pionierów prac nad robotem naśladującym ruch ryby był Olin College, w którym powstał m.in. Robo Tuna, a wraz z Boston Engineering Corporation opracowywano też biomimetycznego robota, w którym zaadaptowano wiedzę wynikającą z nauki biologii ryb w celu nadania mu specyficznych właściwości do poruszania się w środowisku wodnym. Zasada działania takiego systemu opierała się na przemieszczeniach mechanicznego kręgosłupa i kręgów napędzających ogon i płetwy pod wpływem syntetycznych „mięśni” stworzonych z elektroaktywnych polimerów.
Obecne możliwości zastosowania rozwiązań, jakie oferuje robotyka biomimetyczna, nie osiągnęły jeszcze wystarczającej dojrzałości technologicznej do właściwego ich zastosowania we współczesnym środowisku zastosowania militarnego, ale uzyskiwane i przewidywane wyniki badań i rozwoju w tym obszarze pozwalają żywić nadzieję na pozytywne rezultaty w przyszłości. Celem dalszych badań może być np. stworzenie wyspecjalizowanych morskich/powietrznych zwiadowców, czy nawet adaptacja rozwiązań do zbudowania superefektywnych, rybokształtnych okrętów podwodnych.
DARPA już od dłuższego czasu rozważa zastosowanie biomimetycznych rozwiązań nie tylko w wielu płaszczyznach dotyczących bezpieczeństwa czy obronności, ale również komercyjnych, jak np. w celu monitorowania rurociągów. Dzięki zrozumieniu zasad funkcjonowania żywych organizmów, opracowaniu mechanizmów naśladujących ich złożone systemy życiowe, a także integracji żywych i nieożywionych składowych lub bezpośrednie stosowanie złożonych systemów biologicznych, otrzymuje się nowe możliwości, jakich nie zapewniają obecnie stosowane rozwiązania.
Silent NEMO - projekt realizowany przez USN - to jeden z najbardziej dojrzałych programów biomimetycznych, w ramach którego powstaje AUV naśladujący swoimi ruchami w wodzie tuńczyka (jednego z najdoskonalszych pływaków, jakich stworzyła natura). Sam program jest częścią rozległego planu realizowanego nie tylko przez USN, ale i cały amerykański Departament Obrony (DoD), którego założenia opierają się na wykorzystywaniu biomimetycznej technologii w operacjach nawodnych i podwodnych, jak również w środowisku powietrznym i lądowym.
Zaprojektowany przez Boston Dynamics AUV GhostSwimmer o torpedowym kształcie ma około 1520 mm długości i masę 45,4 kg. Może operować na głębokości od 30 do około 100 m, co pozwala na przeprowadzenie różnego rodzaju misji (wynurza się na powierzchnię w celu przesłania zgromadzonych danych). Porusza się w wodzie za pomocą oscylującego ogona (z płetwą w kształcie księżyca) i mechanicznych płetw (Maneuver for Advanced Naval Extreme Unsteady condition Vessel Enabling Research – MANEUVER). Odseparowane od siebie komory różnej ładowności przeznaczone są dla systemów do wykonywania misji ISR, baterii zasilających oraz pozycjonowania, opartych na GPS i sonarze. Chociaż robot działa autonomicznie, istnieje możliwość sterowania przez operatora za pośrednictwem laptopa. Sygnały przesyłane są przy pomocy przewodu o długości 150 m, którym przekazywane są także zarejestrowane dane.
Przeprowadzone w grudniu 2014 roku badania wstępne (na terenie Joint Expeditionary Base Little Creek-Fort Story) wykazały zdolność jednostki do działań autonomicznych w trudnym środowisku morskim (m.in. pokonywania problemów związanych ze stanem morza – prądów czy pływów, ale również wysoką skuteczność w realizacji skrytego podejścia, obserwacji czy przekazywania danych). Przede wszystkim testy te pokazały jednak, że zastosowanie napędu naśladującego ruch ryby spowodowało znacznie zmniejszenie generowanego hałasu i szumów, a pojazd jest wysoko manewrowy w wodzie (w każdym przedziale prędkości) i ma mały promień skrętu.
Kolejnym etapem badań będzie integracja czujników i sensorów, w tym przekazywania i odbioru danych, oraz zwiększenie czasu trwania misji i przeżywalności systemu w trudnym i zmiennym środowisku wodnym, tak by docelowy pojazd mógł konkurować - a nawet przewyższać w działaniu - tradycyjne systemy załogowe i bezzałogowe.
BioSwimmer to odmiana GhostSwimmer, opracowana przez Advanced System Group a przeznaczona do użycia zarówno w wodzie, jak i innych cieczach np. ropie. Kształt kadłuba dobrano tak, by ułatwić penetrację trudno dostępnych miejsc pod wodą, takich jak elementy konstrukcji statków (jak okolice sterów i śrub, zęzy, zbiorniki balastowe itp.). Dron zasilany jest z baterii akumulatorów, wyposażono go w centralny system sterowania, odpowiedzialny za nawigację, komunikację i gromadzenie danych z czuników. Może działać w trybie autonomicznym lub być sterowany za pomocą urządzenia wynośnego ze specjalnym interfejsem użytkownika.
Konstruktorom Guard Bota, którego przeznaczeniem w przyszłości miałoby być m.in. rozpoznanie miejsc desantu z morza, przyświecała trochę odmienna koncepcja, nie będąca bezpośrednim odwzorowaniem naturalnych cech. Guard Bot ma postać kuli, która porusza się w wodzie z prędkością 4 węzłów, a na lądzie ponad 30 km/h. Napęd zapewnia mu układ, powodujący wahadłowe przemieszczenia środka ciężkości, stabilizowany, o dziewięciu stopniach swobody i zasilany z akumulatorów zapewniających czas nieprzerwanej pracy do 8 godzin. Proces sterowania opiera się na specjalnych algorytmach i łączach informatycznych.
Również polscy naukowcy z Akademii Marynarki Wojennej (AMW), Politechniki Krakowskiej, Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów (PIAP) oraz Przedsiębiorstwa Badawczo-Produkcyjnego Forkos pracują nad stworzeniem zwiadowczego robota, poruszającego się jak ryba. Ma on się przemieszczać dzięki ruchowi tułowia (projekt CyberRyba), sterowanego za pomocą autonomicznego algorytmu. Zakładanymi do uzyskania danymi będą m.in. możliwość rejestracji parametrów wybranych pól fizycznych i innych danych za pomocą np. sonaru lub kamery wideo, poruszanie się po zaprogramowanej trasie czy omijanie przeszkód.
W przypadku systemów powietrznych MAV i NAV zdaniem wielu specjalistów wykorzystanie technologii biomimetycznej stanowi krytyczny element w projektowaniu i rozwoju miniaturowych statków latających. Jednym z ważniejszych założeń dla takich systemów jest możliwość wtapiania się w otoczenie tak, by podczas wykonywania misji były one trudne do zauważenia.
Wiele z opracowywanych MAV przypomina z pewnej odległości różnego rodzaju ptaki czy owady, ale adaptacja naturalnych zachowań i możliwości w wielu przypadkach nie do końca się sprawdza. Ustalenie, które cechy mogą mieć korzystny lub negatywny wpływ pozwoli na właściwy rozwój przyszłych MAV.
Micro Systems Autonomous Technologia (MAST) to konsorcjum kilku firm, których celem jest współpraca przy rozwoju małych platform autonomicznych, czujników i sensorów, specjalnej elektroniki oraz algorytmów do ich sterowania.
Powiązane programy wojskowe koncentrują się na wymaganiach związanych z realizacją operacji w jaskiniach, dżungli i terenie zurbanizowanym, gdzie wymagane są zdolności do szybkiego działania, niewielkie wymiary i masa systemu oraz uniwersalność zastosowania. Dodatkowe wymagania to te związane z zapewnieniem skrytości prowadzenia akcji oraz właściwego sterowania i przekazywania danych poprzez sensory umieszczone na tak małej platformie (zminiaturyzowane jednostki komunikacyjne, geolokacyjne, percepcji czy nawigacji).
Przykładem rozwiązania MAV jest Hummingbird, będący owocem współpracy DARPA i AeroVironment, a przeznaczony zarówno do pracy wewnątrz, jak i na zewnątrz obiektów. Wykonany na podobieństwo kolibra obiekt posiada bardzo zbliżone do niego zdolności wykonywania manewrów ruchu, dzięki wykorzystaniu trzepoczących skrzydeł napędowych i systemowi dokładnego sterowania wysokością lotu. 160 mm skrzydełka pozwalają rozpędzić „sztucznego” kolibra do prędkości 18 km /h oraz umożliwiają poruszanie się w trzech płaszczyznach ruchu. Łączna masa (w tym baterii, silników, systemów łączności i aparatu wideo) to tylko 19 g.
Hummingbird podczas testów wykazał precyzję zastosowanego systemu aktywnej stabilności lotu, przejścia od prędkości 18 km/h do zatrzymania w powietrzu, przemieszczenia z obszaru otwartego do wnętrza budynków i odwrotnie, czy zdolność do szybkiego lotu w pomieszczeniach zamkniętych.
Również niemiecka firma Festo opracowała MAV Bionic Opter, który wygładem przypomina ważkę i lata dzięki zastosowaniu wahliwych skrzydełek. Zdaniem twórców posiada on zdolności lotu przewyższające to, co oferują dziś śmigłowce, szybowce czy samoloty razem wzięte. Bionic Opter wyposażony został w systemy zapewniające mu aktywną kontrolę natężenia częstotliwość ruchu skrzydła i uruchamiania go w różnych położeniach względem kadłuba. MAV nadzoruje ciąg i moc przekazywaną dla każdego z czterech skrzydeł w sposób niezależny. Długość bezzałogowca to 440 mm, rozpiętość skrzydeł 630 mm a masa 175 g. Jego rama jest wykonana z włókna węglowego. Centralny system zasilania mieści się w obrębie „klatki piersiowej” i składa się z dziewięciu serwomotorów.
MAV może być obsługiwany za pomocą stacji kontroli naziemnej w postaci smartphona, umożliwiającego operatorowi ruch skrzydłami o dziewięciu stopniach swobody.
Największe trudności napotyka rozwój lądowych bezzałogowych pojazdów naziemnych - UGV. Projekty takie jak Squad Mission Support System Lockheed Martin i Terramax Oshkosha Defense - zautomatyzowanej jazdy ciężarówką - podlegały ocenie SZ USA, ale nie zaowocowały ich dalszym rozwojem w kierunku zastosowania operacyjnego.
Jednym z najbardziej znanych przykładów zastosowania koncepcji technologii biomimetycznej jest „BigDog” z czasem przekształcony w system Legged Squad Support System (LS3). Jego cechą szczególną jest naśladowanie ruchów ciała czworonoga, co pozwala na pokonywanie trudnego terenu oraz przenoszenie ciężkich ładunków. Jest to więc idealny system transportu zaopatrzenia, podążający tuż za żołnierzami na polu walki. Może on działać autonomicznie, podążać za żołnierzem lub reagować na jego polecenia głosowe.
LS3 ma 1750 mm wysokości, 2000 mm długości i masę 390 kg. System przeszedł dwuletni okres testów i prób oceny przydatności do wykorzystania w wojsku prowadzony przez USMC. Wykazał on m.in. zdolność do poruszania z prędkością 1,5 ÷ 4,5 km/h na różnej nawierzchni i terenie skalistym, stabilnego chodzenia z prędkością do 8 km/h, czy pokonywania wzniesień o nachyleniu do 35° z ładunkiem o masie 180 kg. Zabudowano w nim szereg czujników i sensorów m.in. lidar, żyroskop, GPS i specjalny układ obserwacji.
Robot jest napędzany za pomocą układu hydraulicznego działającego na cztery nogi zapewniające dodatkowo pochłanianie wstrząsów i odnawianie zasobów energii w każdym kroku. Pokładowy układ sterowania nadzoruje cały system lokomocji, działania czujników i wyważenie (w tym ciśnienie w układzie hydraulicznym, temperaturę oleju, stan silnika i system ładowania akumulatora).
W grudniu 2015 roku USMC anulowało jednak ten program z powodu zbyt hałaśliwe działających mechanizmów napędu robota – nie do przyjęcia wobec skrytych działań taktycznych prowadzonych przez pododdziały. Po rezygnacji z tego programu zaprojektowano robota „Spot” o napędzie elektrycznym (zminimalizowano problem hałasu). Charakteryzuje się on ograniczoną wielkością (ok. 25% wielkości LS3) i użyteczną ładownością – przenosi ładunek o masie tylko 18 kg – oraz ograniczonymi możliwościami autonomii. Jednym z potencjalnych zastosowań dla nowej platformy mają być zadania ISR.
Inne podejście do wykorzystania naturalnych zdolności owadów czy zwierząt w służbie dla człowieka reprezentuje Miura-Shimoyama Laboratory na uniwersytecie tokijskim w Japonii. Od lat dziewięćdziesiątych badane są tam bioboty, czyli roboty w części lub całości zbudowane z materiału biologicznego, a sterowane za pomocą sztucznej inteligencji.
Podsumowanie
Głównym założeniem programów autonomicznych systemów, wykonywanych w technologii biomimetycznej, jest opracowanie bardziej uniwersalnych, skutecznych i skrytych w działaniu robotów powstałych w ciągłym procesie odkrywania i adoptowania odwiecznych biologicznych zasad istniejących w środowisku zwierząt czy roślin na potrzeby działalności człowieka.
Nowe wyzwania to nie tylko same roboty, to również (a może nawet przede wszystkim) nowe, tworzące je technologie, jak np. specjalistyczne powłoki będące de facto ogniwami słonecznymi, pokrywające skrzydła i kadłuby robotów, czy zapewnienie szerokiego pola obserwacji i zapisu danych na mapach w formacie 3D, pokrycia podobne do ludzkiej czy zwierzęcej skóry, umożliwiające wykrycie uszkodzeń czy zniszczeń oraz badające parametry otoczenia, zawierające dziesiątki tysięcy mikroczujników, o powierzchni ok. 1 mm2 każdy. Będą one miały zastosowanie także na tradycyjnych BSP.
Innymi kierunkami badań, realizowanymi np. w ramach programu CODE (Collaborative Operations in Denied Environment), jest zapewnienie autonomicznego współdziałania statków bezzałogowych o różnych możliwościach, pracujących w ramach różnych bojowych zespołów zadaniowych, w tym z systemami załogowymi. Podobnym celom służą badania realizowane w ramach programu LOCUST (Low-Cost UAV Swarming Technology), którego celem jest stworzenie uniwersalnego systemu, w skład któego ma wejść wiele bezzałogowców działających autonomicznie, wymieniających się informacjami i wypracowujących najskuteczniejsze sposoby realizacji stawianych przed nimi zadań.
Ograniczeniami wobec coraz doskonalszych rozwiązań są przede wszystkim potrzeby energetyczne. Coraz większe zapotrzebowanie na energię to również kłopoty z chłodzeniem układów, w tym sterowania i informatycznych. Krzem, na którym opiera się ok. 80% elektroniki, jest złym przewodnikiem cieplnym, a każdy poruszający się elektron wytwarza ciepło, które trzeba jakoś „zagospodarować”. Im mniejsze są więc urządzenia elektroniczne, tym gorzej jest z odbiorem ciepła z ich wewnętrznych struktur (chłodzenie i wentylacja). Inne ograniczenia wynikają z zastosowania obecnych technik tworzenia obwodów scalonych, które są niedoskonałe w przypadku produkcji układów wymiarowo mniejszych niż 20 nanometrów.
Od listopada 2012 roku armia amerykańska przeznacza rocznie ok. 7,5 mln USD na rozwój powietrznych mikrosystemów (pięcioletni program dofinansowania). Główny wysiłek badawczy koncentruje się na wykorzystaniu technologii umożliwiających biomimetycznym MAV pokonanie skomplikowanego terenu operacji, wykorzystaniu naturalnych cech ptaków do zapewnienia gwałtownych manewrów, zatrzymania czy zwisu oraz skrytego i cichego działania, w tym grupowego z przekazywaniem danych w czasie rzeczywistym. Podobne kierunki rozwoju realizowane są wobec morskich i powietrznych platform. Stopień realizacji wynika z obecnych możliwości technologicznych i uwarunkowań środowiska przyszłych działań. Najważniejsze jednak, że programy rozwoju tego rodzaju technologii istnieją i są rozwijane.
Marek Dąbrowski
