The Future of Flying Robots | Vijay Kumar | TED Talks

Tradutor: Raissa Mendes Revisor: Maricene Crus

In my lab, we build autonomous aerial robots

Em meu laboratório, construímos robôs aéreos autônomos,

like the one you see flying here.

como este que está voando aqui.

Unlike the commercially available drones that you can buy today,

Diferentemente dos drones atualmente disponíveis para venda no mercado,

this robot doesn't have any GPS on board.

este robô não possui nenhum GPS integrado.

So without GPS,

Assim, sem GPS,

it's hard for robots like this to determine their position.

é difícil para robôs como este determinarem sua posição.

This robot uses onboard sensors, cameras and laser scanners,

Este robô usa sensores integrados, câmeras e escâneres a laser

to scan the environment.

para escanear o ambiente.

It detects features from the environment,

Ele detecta características do ambiente

and it determines where it is relative to those features,

e determina onde está em relação a essas características,

using a method of triangulation.

usando um método de triangulação.

And then it can assemble all these features into a map,

E aí ele consegue reunir todas essas características num mapa,

like you see behind me.

como este aqui atrás de mim.

And this map then allows the robot to understand where the obstacles are

E esse mapa, então, permite que o robô entenda onde estão os obstáculos

and navigate in a collision-free manner.

e navegue num modo livre de colisões.

What I want to show you next

Quero lhes mostrar a seguir

is a set of experiments we did inside our laboratory,

uma série de experimentos que fizemos em nosso laboratório,

where this robot was able to go for longer distances.

onde um robô foi capaz de ir a distâncias mais longas.

So here you'll see, on the top right, what the robot sees with the camera.

Aqui podem ver, no alto à direita, o que o robô vê com a câmera.

And on the main screen --

E, na tela principal,

and of course this is sped up by a factor of four --

acelerando quatro vezes a velocidade do vídeo,

on the main screen you'll see the map that it's building.

podem ver o mapa que ele está construindo.

So this is a high-resolution map of the corridor around our laboratory.

Assim, este é um mapa de alta resolução do corredor contíguo ao nosso laboratório.

And in a minute you'll see it enter our lab,

E logo vão vê-lo entrar em nosso laboratório,

which is recognizable by the clutter that you see.

que é possível reconhecer pela bagunça que estão vendo.

(Laughter)

(Risos)

But the main point I want to convey to you

Mas o mais importante aqui

is that these robots are capable of building high-resolution maps

é que esses robôs são capazes de construir mapas de alta resolução

at five centimeters resolution,

de 5 cm de resolução,

allowing somebody who is outside the lab, or outside the building

permitindo a alguém que esteja fora do laboratório, ou fora do prédio,

to deploy these without actually going inside,

utilizá-los e, sem precisar entrar lá,

and trying to infer what happens inside the building.

tentar inferir o que acontece dentro do prédio.

Now there's one problem with robots like this.

Mas robôs assim têm alguns problemas.

The first problem is it's pretty big.

O primeiro deles é o tamanho.

Because it's big, it's heavy.

Por ser grande, é pesado.

And these robots consume about 100 watts per pound.

E esses robôs consomem cerca de 200 W por kg,

And this makes for a very short mission life.

o que só lhes permite uma missão bem curta.

The second problem

O segundo problema

is that these robots have onboard sensors that end up being very expensive --

é que esses robôs têm sensores integrados que acabam saindo muito caro,

a laser scanner, a camera and the processors.

um escâner a laser, uma câmera e os processadores.

That drives up the cost of this robot.

Isso aumenta o custo desse robô.

So we asked ourselves a question:

Daí, a gente se perguntou:

what consumer product can you buy in an electronics store

qual o produto que podemos comprar numa loja de eletrônicos

that is inexpensive, that's lightweight, that has sensing onboard and computation?

que seja barato, leve e tenha sensor a bordo e computação?

And we invented the flying phone.

E inventamos o telefone voador.

(Laughter)

(Risos)

So this robot uses a Samsung Galaxy smartphone that you can buy off the shelf,

Assim, este robô usa um smartphone Samsung Galaxy comprado numa loja,

and all you need is an app that you can download from our app store.

e tudo que precisamos é de um aplicativo baixado de uma loja de aplicativos.

And you can see this robot reading the letters, "TED" in this case,

Aqui, no caso, vocês podem ver o robô lendo as letras "TED",

looking at the corners of the "T" and the "E"

olhando para os cantos do "T" e do "E"

and then triangulating off of that, flying autonomously.

e então triangulando isso, voando de forma autônoma.

That joystick is just there to make sure if the robot goes crazy,

Aquele joystick está ali só para garantir que, caso o robô enlouqueça,

Giuseppe can kill it.

Giuseppe consiga matá-lo.

(Laughter)

(Risos)

In addition to building these small robots,

Além de construir esses pequenos robôs,

we also experiment with aggressive behaviors, like you see here.

também fazemos, como aqui, experimentos com comportamentos agressivos.

So this robot is now traveling at two to three meters per second,

Este robô está viajando a 2 m/s ou 3 m/s.

pitching and rolling aggressively as it changes direction.

inclinando e rodopiando agressivamente enquanto muda de direção.

The main point is we can have smaller robots that can go faster

O importante aqui é que podemos ter robôs menores e mais rápidos

and then travel in these very unstructured environments.

viajando em ambientes muito desestruturados.

And in this next video,

No próximo vídeo,

just like you see this bird, an eagle, gracefully coordinating its wings,

assim como esta ave, uma águia, que graciosamente coordena as asas,

its eyes and feet to grab prey out of the water,

os olhos e os pés para agarrar a presa para fora da água,

our robot can go fishing, too.

nosso robô também consegue pescar.

(Laughter)

(Risos)

In this case, this is a Philly cheesesteak hoagie that it's grabbing out of thin air.

No caso, trata-se de um sanduíche de filé com queijo que ele agarrou do nada.

(Laughter)

(Risos)

So you can see this robot going at about three meters per second,

Assim, podemos ver o robô voando a cerca de 3 m/s.

which is faster than walking speed, coordinating its arms, its claws

que é mais rápido que andar, coordenando braços, garras

and its flight with split-second timing to achieve this maneuver.

e o voo em frações de segundos para conseguir fazer essa manobra.

Em outro experimento,

In another experiment,

I want to show you how the robot adapts its flight

quero lhes mostrar como os robôs adaptam seu voo

to control its suspended payload,

para controlar o peso da carga suspensa,

whose length is actually larger than the width of the window.

cujo comprimento é na verdade maior que a largura da janela.

So in order to accomplish this,

Assim, para conseguir isso,

it actually has to pitch and adjust the altitude

ele precisa, na realidade, se inclinar, ajustar a altitude

and swing the payload through.

e equilibrar a carga ao atravessar.

But of course we want to make these even smaller,

Mas, é claro, queremos fazê-los menores ainda

and we're inspired in particular by honeybees.

e fomos buscar nossa inspiração especialmente nas abelhas.

So if you look at honeybees, and this is a slowed down video,

Assim, se observarem as abelhas, e este é um vídeo em câmera lenta,

they're so small, the inertia is so lightweight --

elas são tão pequenas, a inércia é tão leve

(Laughter)

(Risos)

that they don't care -- they bounce off my hand, for example.

que elas nem ligam, ricocheteiam na minha mão, por exemplo.

This is a little robot that mimics the honeybee behavior.

Este é um pequeno robô que imita o comportamento da abelha.

And smaller is better,

E, quanto menor, melhor,

because along with the small size you get lower inertia.

pois, com o tamanho menor, conseguimos menor inércia.

Along with lower inertia --

E, com menor inércia,

(Robot buzzing, laughter)

(Robô zumbindo. Risos)

along with lower inertia, you're resistant to collisions.

com a inércia menor, resiste-se melhor às colisões.

And that makes you more robust.

E faz com que ele seja mais robusto.

So just like these honeybees, we build small robots.

Assim, construímos robôs pequenos como essas abelhas.

And this particular one is only 25 grams in weight.

E este aqui, em particular, pesa apenas 25 g.

It consumes only six watts of power.

Ele consume apenas 6 W de potência

And it can travel up to six meters per second.

e pode viajar até 6 m/s.

So if I normalize that to its size,

Assim, guardadas as devidas proporções,

it's like a Boeing 787 traveling ten times the speed of sound.

é como um Boeing 787 viajando a dez vezes a velocidade do som.

(Laughter)

(Risos)

And I want to show you an example.

E quero lhes mostrar um exemplo.

This is probably the first planned mid-air collision, at one-twentieth normal speed.

Esta provavelmente é a primeira colisão planejada no ar,

a um vigésimo da velocidade normal.

These are going at a relative speed of two meters per second,

Estão a uma velocidade relativa de 2 m/s.

and this illustrates the basic principle.

e isso ilustra o princípio básico.

The two-gram carbon fiber cage around it prevents the propellers from entangling,

A gaiola de fibra de carbono de 2 g evita que as hélices se embolem,

but essentially the collision is absorbed and the robot responds to the collisions.

mas basicamente a colisão é absorvida, e o robô reage às colisões.

And so small also means safe.

E pequeno assim também é mais seguro.

In my lab, as we developed these robots,

Ao desenvolver robôs no laboratório, começamos com robôs grandes

we start off with these big robots

e acabamos trabalhando com robôs pequenos.

and then now we're down to these small robots.

And if you plot a histogram of the number of Band-Aids we've ordered

E, ao olharmos um histograma da quantidade de Band-Aids que comprávamos no passado,

in the past, that sort of tailed off now.

vemos que agora diminuiu.

Because these robots are really safe.

Porque esses robôs são realmente seguros.

The small size has some disadvantages,

Ser pequeno tem desvantagens,

and nature has found a number of ways to compensate for these disadvantages.

e a natureza encontrou muitas formas de compensar essas desvantagens.

The basic idea is they aggregate to form large groups, or swarms.

A ideia básica é que eles se juntem para formar grandes grupos, ou enxames.

So, similarly, in our lab, we try to create artificial robot swarms.

Da mesma forma, no laboratório, tentamos criar enxames artificiais de robôs.

And this is quite challenging

E isso é bem desafiador,

because now you have to think about networks of robots.

pois tivemos de pensar em redes de robôs

And within each robot,

e, dentro de cada robô,

you have to think about the interplay of sensing, communication, computation --

pensar na interação entre o sensor, a comunicação e a computação,

and this network then becomes quite difficult to control and manage.

e é bem difícil controlar e gerenciar essa rede.

So from nature we take away three organizing principles

Assim, tiramos da natureza esses três princípios organizacionais,

that essentially allow us to develop our algorithms.

que essencialmente nos permitem desenvolver nossos algoritmos.

The first idea is that robots need to be aware of their neighbors.

A primeira ideia é que os robôs precisam estar cientes de seus vizinhos.

They need to be able to sense and communicate with their neighbors.

Precisam ser capazes de detectar e se comunicar com seus vizinhos.

Assim, este vídeo ilustra a ideia básica.

So this video illustrates the basic idea.

You have four robots --

Temos quatro robôs,

one of the robots has actually been hijacked by a human operator, literally.

um deles na verdade foi literalmente sequestrado por um operador humano.

But because the robots interact with each other,

Mas, como os robôs interagem entre si,

they sense their neighbors,

eles percebem seus vizinhos,

they essentially follow.

basicamente seguem o líder

And here there's a single person able to lead this network of followers.

e, aqui, uma pessoa sozinha é capaz de controlar essa rede de seguidores.

So again, it's not because all the robots know where they're supposed to go.

Repetindo, não é porque todos os robôs sabem aonde devem ir.

It's because they're just reacting to the positions of their neighbors.

É porque eles simplesmente reagem à posição dos seus vizinhos.

(Laughter)

(Risos)

So the next experiment illustrates the second organizing principle.

O próximo experimento ilustra o segundo princípio organizacional.

And this principle has to do with the principle of anonymity.

Que tem a ver com o princípio da anonimidade.

Here the key idea is that

A ideia chave é

the robots are agnostic to the identities of their neighbors.

que os robôs possuem uma identidade independente da do vizinho.

They're asked to form a circular shape,

Pede-se a eles que formem um círculo

and no matter how many robots you introduce into the formation,

e, não importa quantos robôs sejam introduzidos na formação,

or how many robots you pull out,

ou quantos robôs sejam retirados,

each robot is simply reacting to its neighbor.

cada robô meramente reage ao seu vizinho.

It's aware of the fact that it needs to form the circular shape,

Ele está ciente do fato de que precisa formar um círculo,

but collaborating with its neighbors

mas, ao colaborar com os vizinhos,

it forms the shape without central coordination.

ele faz isso sem nenhuma coordenação central.

Now if you put these ideas together,

Agora, juntando essas duas ideias,

the third idea is that we essentially give these robots

a terceira é basicamente darmos a esses robôs

mathematical descriptions of the shape they need to execute.

descrições matemáticas da forma a ser executada.

And these shapes can be varying as a function of time,

E essas formas podem variar em função do tempo.

and you'll see these robots start from a circular formation,

Vocês vão ver os robôs começarem com uma formação circular,

change into a rectangular formation, stretch into a straight line,

mudarem para a retangular, esticarem-se numa linha reta,

back into an ellipse.

e de volta para uma elipse.

And they do this with the same kind of split-second coordination

E eles coordenam tudo isso em frações de segundo,

that you see in natural swarms, in nature.

como vemos nos enxames na natureza.

So why work with swarms?

Mas por que trabalhar com enxames?

Let me tell you about two applications that we are very interested in.

Quero lhes contar sobre duas aplicações nas quais estamos muito interessados.

The first one has to do with agriculture,

A primeira é na agricultura,

which is probably the biggest problem that we're facing worldwide.

que provavelmente é o maior problema que enfrentamos no mundo.

As you well know,

Como vocês bem sabem,

one in every seven persons in this earth is malnourished.

uma em sete pessoas no planeta é subnutrida.

Most of the land that we can cultivate has already been cultivated.

A maioria das terras disponível para cultivo já foi cultivada.

And the efficiency of most systems in the world is improving,

E a eficiência da maioria dos sistemas no mundo está melhorando,

but our production system efficiency is actually declining.

mas a eficiência do nosso sistema de produção na verdade está diminuindo

And that's mostly because of water shortage, crop diseases, climate change

devido à restrição da água, a doenças nas plantações e à mudança climática,

and a couple of other things.

entre outras coisas.

So what can robots do?

Então, o que os robôs fazem?

Well, we adopt an approach that's called Precision Farming in the community.

Bem, adotamos uma abordagem chamada "Agricultura de Precisão" na comunidade.

And the basic idea is that we fly aerial robots through orchards,

A ideia básica é fazer os robôs aéreos voarem no meio das plantações,

and then we build precision models of individual plants.

para construirmos os modelos de precisão das plantas individuais.

So just like personalized medicine,

Assim como a medicina personalizada,

while you might imagine wanting to treat every patient individually,

em que se buscar tratar cada paciente de forma individual,

what we'd like to do is build models of individual plants

gostaríamos de construir modelos individuais das plantas,

and then tell the farmer what kind of inputs every plant needs --

para podermos dizer ao fazendeiro que tipo de insumos cada planta precisa,

the inputs in this case being water, fertilizer and pesticide.

e os insumos, no caso, são a água, o fertilizante e o pesticida.

Here you'll see robots traveling through an apple orchard,

Aqui vocês veem robôs viajando sobre uma plantação de maçãs,

and in a minute you'll see two of its companions

e logo mais dois de seus companheiros

doing the same thing on the left side.

fazendo a mesma coisa no lado esquerdo.

And what they're doing is essentially building a map of the orchard.

Basicamente, eles estão construindo um mapa da plantação.

Within the map is a map of every plant in this orchard.

Dentro do mapa há um mapa de cada planta dessa plantação.

(Robot buzzing)

(Robô zunindo)

Let's see what those maps look like.

Vamos ver como são esses mapas.

In the next video, you'll see the cameras that are being used on this robot.

No próximo vídeo, vamos ver as câmeras usadas neste robô.

On the top-left is essentially a standard color camera.

No alto à esquerda, temos basicamente uma câmera colorida padrão.

On the left-center is an infrared camera.

À esquerda, no centro, temos uma câmera de infravermelho.

And on the bottom-left is a thermal camera.

E, embaixo à esquerda, uma câmera com sensor de temperatura.

And on the main panel, you're seeing a three-dimensional reconstruction

E, no painel principal, pode-se ver uma reconstrução tridimensional

of every tree in the orchard as the sensors fly right past the trees.

de cada árvore da plantação enquanto os sensores passam pelas árvores.

Armed with information like this, we can do several things.

Munidos de informações como estas, podemos fazer diversas coisas.

The first and possibly the most important thing we can do is very simple:

A primeira coisa e, provavelmente a mais importante, é bem simples:

count the number of fruits on every tree.

contar o número de frutas de cada árvore.

By doing this, you tell the farmer how many fruits she has in every tree

Fazendo assim, dizemos à fazendeira quantas frutas ela tem em cada árvore,

and allow her to estimate the yield in the orchard,

o que lhe permite fazer uma estimativa da colheita,

optimizing the production chain downstream.

otimizando os passos seguintes da cadeia de produção.

The second thing we can do

A segunda coisa que podemos fazer

is take models of plants, construct three-dimensional reconstructions,

é pegar modelos de plantas, fazer reconstruções tridimensionais,

and from that estimate the canopy size,

calcular o tamanho da copa das árvores e correlacionar o tamanho da copa

and then correlate the canopy size to the amount of leaf area on every plant.

com o tamanho da área foliar de cada planta.

And this is called the leaf area index.

E isso se chama Índice de Área Foliar.

So if you know this leaf area index,

Assim, se conhecermos esse indicador,

you essentially have a measure of how much photosynthesis is possible in every plant,

podemos ter a medida de quanta fotossíntese é possível em cada planta,

which again tells you how healthy each plant is.

o que novamente nos diz quão saudável cada planta é.

By combining visual and infrared information,

Ao combinar informação visual e infravermelha,

we can also compute indices such as NDVI.

podemos calcular também índices como o NDVI.

And in this particular case, you can essentially see

E, neste caso em particular, podemos ver

there are some crops that are not doing as well as other crops.

que algumas colheitas não estão indo tão bem quanto outras.

This is easily discernible from imagery,

Isso é facilmente perceptível com as imagens,

not just visual imagery but combining

não somente com as visuais,

mas com a combinação de ambas, as visuais e as infravermelhas.

both visual imagery and infrared imagery.

And then lastly,

E, por último,

one thing we're interested in doing is detecting the early onset of chlorosis --

estamos interessados em determinar o surgimento precoce da clorose.

and this is an orange tree --

Eis aqui um pé de laranja

which is essentially seen by yellowing of leaves.

que se destaca pelo amarelado das folhas.

But robots flying overhead can easily spot this autonomously

Mas os robôs voadores podem ver isso facilmente de forma autônoma

and then report to the farmer that he or she has a problem

e depois informar ao fazendeiro que ele está com um problema

in this section of the orchard.

nessa parte da plantação.

Systems like this can really help,

Sistemas assim podem realmente ajudar,

and we're projecting yields that can improve by about ten percent

e estamos projetando colheitas que podem produzir cerca de 10% a mais

and, more importantly, decrease the amount of inputs such as water

e, mais importante, diminuir a quantidade de insumos, como a água, em 25%,

by 25 percent by using aerial robot swarms.

ao usar enxames de robôs aéreos.

Lastly, I want you to applaud the people who actually create the future,

Concluindo, gostaria que aplaudissem as pessoas que, na verdade, criam o futuro:

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu and Giuseppe Loianno,

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu e Giuseppe Loianno,

who are responsible for the three demonstrations that you saw.

que foram os responsáveis pelas três demonstrações a que assistiram hoje.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)