שבב משופר מסייע לרחפנים בגודל דבורה לנווט במרחב

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס, אשר פיתחו בשנה שעברה שבב מחשב המסייע לרחפנים בגודל דבורה לנווט במרחב, הצליחו כעת לשדרג את השבב שלהם עוד יותר, הן מבחינת הגודל והן מבחינת צריכת האנרגיה שלו

תכנון טכני, המאפשר שימוש באנרגיה נמוכה, יספק להתקנים שגודלם כגודל דבורה לקבוע את הכיוון שלהם במהלך התעופה.

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס, אשר פיתחו בשנה שעברה שבב מחשב המסייע לרחפנים בגודל דבורה לנווט במרחב, הצליחו כעת לשדרג את השבב שלהם עוד יותר, הן מבחינת הגודל והן מבחינת צריכת האנרגיה שלו. החוקרים, מהמחלקה להנדסת חשמל ולמדעי המחשב בנו שבב שלם מהמסד ועד לטפחות, תוך התמקדות בהפחתת צריכת האנרגיה והקטנת הגודל הפיזי שלו, שיפורים המובילים להגברת מהירות עיבוד המידע. שבב המחשב החדשני, בגודל של 20 מילימטרים מרובעים, צורך אנרגיה בשיעור של 24 מילי-וואט בלבד, ערך השווה לאלפית מהאנרגיה הדרושה להפעלת נורה חשמלית. שימוש בכמות אנרגיה קטנה כזו מאפשר לשבב לעבד, בזמן אמת, תמונות ממצלמה בקצב של 171 מסגרות לשנייה, יחד עם ביצוע מדידות התמד, שתי תכונות המאפשרות לשבב לקבוע היכן הוא נמצא במרחב. החוקרים אומרים כי השבב יוכל להיות מוטמע בתוך “ננו-רחפנים” בגודל ציפורן, במטרה לאפשר לכלי רכב לנווט, במיוחד במקומות מרוחקים או בלתי נגישים שבהם נתונים מלווייני ניווט אינם זמינים. השבב יוכל לשמש גם בכל התקן או רובוט זעיר הנדרש לנווט במשך פרקי זמן ארוכים כאשר יש לו אנרגיה מוגבלת.

“אני יכול לדמיין שימוש בשבב זה בתחום של רובוטיקה המבוססת על צריכת אנרגיה מועטה, כמו כלי תעופה בעלי כנפוני נפנוף בגודל של ציפורן, או כלי תעופה שמשקלם נמוך משל האוויר, כמו בלוני אוויר, המסוגלים לפעול במשך חודשים שלמים מבלי להחליף את הסוללה שלהם”, אמר החוקר הראשי. “או דמיינו לעצמכם התקנים רפואיים, מעין כמוסה שאתה מסוגל לבלוע, ואשר יכולה לנווט באופן מושכל תוך שימוש בסוללה זעירה במיוחד המונעת התחממות יתר בתוך הגוף. השבבים שאנו מפתחים יכולים לסייע ביישומים אלו.”

בשנים האחרונות, קבוצות מחקר מרובות פיתחו רחפנים ממוזערים כה קטנים שניתן להחזיק אותם בכף היד. המדענים מדמים לעצמם כלי ניווט זעירים שיוכלו לעוף סביב ולצלם תמונות של הסביבה שלנו, מעין צלמים או אנשי מיפוי בגודל יתוש, לפני שהם חוזרים ונוחתים על פני כף היד שלנו. יחד עם זאת, רחפן בגודל כף יד יכול לשאת על עצמו כמות מוגבלת של אנרגיה מתוך סוללה, אנרגיה שרובה משמש להפעלת מנוע התעופה, כאשר נותרת כמות אנרגיה קטנה בלבד לפעולות חיוניות אחרות, כגון ניווט, ובמיוחד, אומדן מצב, או מתן יכולת לרובוט לקבוע את מיקומו המדויק במרחב.

“בתחום הרובוטיקה הרגילה, אנו נוטלים מחשבים מוכנים ומוסיפים להם אלגוריתמים, מאחר ואנו לא מתייחסים בדרך כלל לבעיית מגבלת האנרגיה הזמינה,” אומר החוקר הראשי. “אך בכל מיזם המחייב אותנו למזער את היישומים הצורכים אנרגיה מועטה, אנו חייבים להתייחס לאתגרי התכנות באופן שונה לחלוטין”.

במחקרם הקודם, המדענים התחילו להתייחס לבעיות כאלו על ידי שילוב של לוגריתמים וחומרה בשבב יחיד. העיצוב הראשוני שלהם יושם על גבי מערך של שער מסוג שדה בר-תכנות (FPGA), תשתית חומרה מסחרית הניתנת להטמעה בתוך יישום נתון.

השבב הצליח לבצע אומדן מצב תוך שימוש ב-2 וואטים, זאת בהשוואה לרחפנים תקניים וגדולים יותר המשתמשים בכמות של 10 עד 30 וואטים על מנת לבצע את אותה מטלה. ועדיין, צריכת אנרגיה זו של השבב הייתה גדולה יותר מכמות האנרגיה הכוללת שנדרשת, בדרך כלל, לרחפנים ממוזערים, שהחוקרים מעריכים אותה בשיעור של כ-100 מילי-וואטים.

על מנת להפחית את צריכת האנרגיה של השבב, קבוצת המחקר החליטה למזער את כמות הנתונים – בצורת תמונות ממצלמה ומדידות התמד – המאוחסנים בשבב בכל רגע נתון. התכנון גם אפשר שדרוג של האופן שבו נתונים אלו מועברים לרוחב השבב. “את כל התמונות שאחרת היינו מאחסנים באופן זמני בשבב, אנו בעצם מכווצים ובכך מנצלים פחות זיכרון,” מסביר החוקר. החוקרים גם הפחיתו פעולות מיותרות, כגון ביצוע חישובים עם אפס המובילים לתוצאת אפס – החוקרים מצאו דרך להשמיט את השלבים החישוביים הללו שבהם מעורבים אפסים. “שיטה זו אפשרה לנו להימנע מלעבד ולאחסן את כל תוצאות האפס הללו, כך שיכולנו להפחית כמות גדולה של אחסון בלתי נדרש ומחזורי חישוב, תוצאה שהובילה להפחתת הגודל הפיזי של השבב ולהגברת מהירות העיבוד שלו,” מסכם החוקר הראשי. בזכות העיצוב החדשני שלהם, החוקרים הצליחו להפחית את זיכרון השבב מרמה קודמת של 2 מגה-בייט, לרמה של 0.8 מגה-בייט בלבד. בנוסף, החוקרים הצליחו להפחית את צריכת האנרגיה מרמה של 2 וואטים לרמה של 24 מילי-וואטים. צוות המחקר מתכנן להדגים את ביצועי השבב שלו על ידי הטמעתו בתוך מכונית מרוץ ממוזערת, ובסופו של דבר בתוך מיני-רחפנים.

הידיעה על המחקר