The Future of Flying Robots | Vijay Kumar | TED Talks

Tradutor: Yasser Nazir Revisora: Margarida Ferreira

In my lab, we build autonomous aerial robots

No meu laboratório, nós construímos robôs aéreos autónomos

like the one you see flying here.

como o que vocês veem aqui a voar.

Unlike the commercially available drones that you can buy today,

Ao contrário de outros drones disponíveis comercialmente, que compramos hoje,

this robot doesn't have any GPS on board.

este robô não tem nenhum GPS a bordo.

So without GPS,

Então, sem GPS,

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

é difícil para robôs como este determinar a sua posição.

This robot uses onboard sensors, cameras and laser scanners,

Este robô usa sensores a bordo, câmaras e "scanner" a laser,

to scan the environment.

para fazer a análise do ambiente.

It detects features from the environment,

Ele deteta 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,

Depois, pode reunir todas essas características num mapa,

like you see behind me.

como o que veem atrás de mim.

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

Este mapa, em seguida, permite ao robô perceber onde estão os obstáculos

and navigate in a collision-free manner.

e navegar sem problemas de colisão.

What I want to show you next

O que eu quero mostrar a seguir

is a set of experiments we did inside our laboratory,

é um conjunto de experiências que fizemos no nosso laboratório,

where this robot was able to go for longer distances.

onde este robô foi capaz de ir a maiores distâncias.

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

Veem aqui, no canto superior direito, o que o robô vê com a câmara.

And on the main screen --

No ecrã principal

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

— isto está acelerado quatro vezes —

no ecrã principal vão ver o mapa que está a ser construído.

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

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

Este é um mapa de alta resolução do corredor em volta do nosso laboratório.

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

Dentro de instantes, vão vê-lo entrar no laboratório,

which is recognizable by the clutter that you see.

que é reconhecível pela desordem que estão a ver.

(Laughter)

(Risos)

But the main point I want to convey to you

Mas o ponto principal que vos quero transmitir

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

é que estes robôs são capazes de construir mapas de alta resolução,

at five centimeters resolution,

uma resolução de cinco centímetros,

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

permitindo que alguém que está fora do laboratório, ou fora do edifício

to deploy these without actually going inside,

os coloque sem ter que lá entrar,

and trying to infer what happens inside the building.

e tentar deduzir o que acontece no interior do edifício.

Now there's one problem with robots like this.

Agora, há um problema com robôs como este.

The first problem is it's pretty big.

O primeiro problema é que é muito grande.

Because it's big, it's heavy.

Como é grande, é pesado também.

And these robots consume about 100 watts per pound.

Estes robôs consomem cerca de 200 watts por quilo,

And this makes for a very short mission life.

Por isso o tempo de uma missão é muito curto.

The second problem

O segundo problema

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

é que estes robôs têm sensores a bordo que acabam por ser muito caros

a laser scanner, a camera and the processors.

— um "scanner" a laser, uma câmara e os processadores.

That drives up the cost of this robot.

Isso aumenta o custo deste robô.

So we asked ourselves a question:

Então pensámos:

what consumer product can you buy in an electronics store

"Que produto podemos comprar numa loja de eletrónica

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

"que seja barato, leve, e tenha sensores de bordo e computação?"

And we invented the flying phone.

E inventámos o telefone voador.

(Laughter)

(Risos)

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

Este robô usa um smartphone Samsung Galaxy que podemos comprar em qualquer sítio

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

e só precisamos dum aplicativo

que podemos descarregar em qualquer loja de aplicativos.

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

Podem ver este robô a ler as letras, "TED", neste caso,

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, depois, triangulando para longe deles, a voar autonomamente.

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

O "joystick" está ali só para garantir que, se o robô enlouquecer,

Giuseppe can kill it.

Giuseppe pode matá-lo.

(Laughter)

(Risos)

In addition to building these small robots,

Para além da construção destes pequenos robôs,

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

também fizemos experiências com comportamentos agressivos, como aqui.

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

Este robô está agora a voar a dois a três metros por segundo,

pitching and rolling aggressively as it changes direction.

inclinando e girando agressivamente, quando muda de direção.

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

O importante é que podemos ter robôs mais pequenos e mais rápidos

and then travel in these very unstructured environments.

a voar nestes 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 veem este pássaro, uma águia,

graciosamente coordenando as asas, os olhos e os pés

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

para tirar a presa da água,

our robot can go fishing, too.

o nosso robô também pode pescar.

(Laughter)

(Risos)

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

Neste caso, isto é uma sanduíche mista que ele está a apanhar de repente.

(Laughter)

(Risos)

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

Assim, vemos este robô a voar a cerca de três metros por segundo,

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

o que é mais rápido que andar, coordenando os braços, as garras

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

e o voo em frações de segundos para realizar esta manobra.

In another experiment,

Numa outra experiência,

I want to show you how the robot adapts its flight

eu quero mostrar-vos como o robô adapta o seu voo

to control its suspended payload,

para controlar a sua carga suspensa,

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

cujo comprimento é maior do que a largura da janela.

So in order to accomplish this,

A fim de conseguir isso,

it actually has to pitch and adjust the altitude

ele tem de se inclinar e ajustar a altitude

and swing the payload through.

e equilibrar a carga para passar.

But of course we want to make these even smaller,

Mas é claro que queremos torná-los ainda mais pequenos,

and we're inspired in particular by honeybees.

e inspirámo-nos, em particular, nas abelhas.

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

Se observarem as abelhas — este é um vídeo em câmara 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 não se preocupam — 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 das abelhas.

And smaller is better,

Quanto mais pequeno, melhor,

because along with the small size you get lower inertia.

porque, com um tamanho pequeno obtemos uma inércia menor.

Along with lower inertia --

Juntamente com uma inércia menor...

(Robot buzzing, laughter)

(Zumbido do robô) (Risos)

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

... com uma inércia menor, somos resistentes a colisões.

And that makes you more robust.

Isso torna-nos mais robustos.

So just like these honeybees, we build small robots.

Assim, construímos robôs pequenos como as abelhas.

And this particular one is only 25 grams in weight.

Este, em especial, pesa apenas 25 gramas.

It consumes only six watts of power.

Consome apenas seis watts de potência.

And it can travel up to six meters per second.

e pode voar até seis metros por segundo.

So if I normalize that to its size,

Assim, em comparação com o seu tamanho,

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

é como um Boeing 787 a viajar a 10 vezes a velocidade do som.

(Laughter)

(Risos)

And I want to show you an example.

Quero mostrar um exemplo.

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

Esta provavelmente é a primeira colisão aérea planeada,

a um vigésimo da velocidade normal.

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

Estes vão a uma velocidade relativa de 2 metros/segundo,

and this illustrates the basic principle.

e isto ilustra o princípio básico.

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

A gaiola de fibra de carbono, de dois gramas, à volta deles

impede que as hélices se enredem,

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

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

And so small also means safe.

E mais pequeno também significa mais seguro.

In my lab, as we developed these robots,

No meu laboratório, ao desenvolver estes robôs,

we start off with these big robots

começámos com estes robôs grandes

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

e agora, estamos com esses robôs pequenos.

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

Se traçarmos um histograma da quantidade de pensos rápidos

que comprávamos, no passado

in the past, that sort of tailed off now.

isso agora diminuiu.

Because these robots are really safe.

Porque estes robôs são mesmo seguros.

The small size has some disadvantages,

Ser pequeno tem algumas desvantagens,

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

e a natureza encontrou maneiras de compensar estas desvantagens.

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

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

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

Do mesmo modo, no nosso laboratório,

tentámos criar enxames artificiais de robôs.

And this is quite challenging

Isso é um grande desafio

because now you have to think about networks of robots.

porque agora temos que 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 --

temos que pensar na interação da deteção, da comunicação, da computação

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

e essa rede torna-se muito difícil de controlar e de gerir.

So from nature we take away three organizing principles

Assim, fomos buscar à natureza, três princípios de organização

that essentially allow us to develop our algorithms.

que, essencialmente, nos permitem desenvolver os nossos algoritmos.

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

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

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

Precisam de poder sentir e comunicar com os vizinhos.

So this video illustrates the basic idea.

Este vídeo ilustra a ideia.

You have four robots --

Temos quatro robôs.

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

Um dos robôs foi sequestrado por um operador humano.

But because the robots interact with each other,

Mas como os robôs interagem uns com os outros,

they sense their neighbors,

eles sentem os seus vizinhos

they essentially follow.

e seguem um líder.

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

E aqui, uma única pessoa é capaz de liderar essa rede de seguidores.

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

Afinal, novamente, não é porque todos os robôs sabem para onde devem ir.

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

É porque eles estão apenas a reagir às posições dos seus vizinhos.

(Laughter)

(Risos)

So the next experiment illustrates the second organizing principle.

A experiência seguinte ilustra o segundo princípio de organização.

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

Este princípio tem a ver com o princípio do anonimato.

Here the key idea is that

Aqui a ideia fundamental é que

os robôs desconhecem a identidade dos vizinhos.

the robots are agnostic to the identities of their neighbors.

They're asked to form a circular shape,

Pedimos-lhes para formarem um círculo.

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

Por mais robôs que acrescentemos á formação,

or how many robots you pull out,

ou por mais robôs que tiremos,

each robot is simply reacting to its neighbor.

cada robô está simplesmente a reagir ao seu vizinho.

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

Está ciente do facto de que precisa formar um círculo,

but collaborating with its neighbors

mas em colaboração com os seus vizinhos

it forms the shape without central coordination.

forma o círculo sem qualquer coordenação central.

Now if you put these ideas together,

Agora, se colocarmos estas ideias em conjunto,

the third idea is that we essentially give these robots

a terceira ideia é que nós damos a estes robôs

mathematical descriptions of the shape they need to execute.

descrições matemáticas da forma que eles precisam de executar.

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

Estas formas podem variar em função de tempo,

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

e vamos ver estes robôs, começarem com uma formação circular,

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

mudarem para um retângulo, esticarem-se numa linha reta,

back into an ellipse.

e depois numa elipse.

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

Fazem isso com o mesmo tipo de coordenação ao segundo

that you see in natural swarms, in nature.

que vemos nos enxames, na natureza.

So why work with swarms?

Então, porquê trabalhar com enxames?

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

Vou falar-vos de duas aplicações em que estamos muito interessados.

The first one has to do with agriculture,

A primeira tem a ver com a agricultura,

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

que é provavelmente 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 cada sete pessoas nesta terra está subnutrida.

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

A maior parte da terra que cultivamos já foi cultivada.

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

E a eficácia da maior parte dos sistemas no mundo está a melhorar,

but our production system efficiency is actually declining.

mas a eficácia do nosso sistema de produção está em declínio,

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

principalmente por causa da escassez da água,

das doenças das plantas, da alteração climática

and a couple of other things.

e de mais outras coisas.

So what can robots do?

Então, o que podem fazer os robôs?

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

Nós adotámos uma abordagem que se chama Agricultura de Precisão na comunidade.

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

A ideia básica é que nós pomos robôs aéreos a voar nos pomares,

and then we build precision models of individual plants.

e construímos modelos de precisão de plantas individuais.

So just like personalized medicine,

Tal como a medicina personalizada,

while you might imagine wanting to treat every patient individually,

em que podemos imaginar querer tratar cada doente individualmente,

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

o que nós gostaríamos de fazer é construir modelos de plantas individuais

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

e, depois, dizer ao agricultor que tipo de contributos cada planta precisa

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

em que os contributos, neste caso,

são a água, os fertilizantes e os pesticidas.

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

Aqui veem robôs a voar num pomar de maçãs,

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

e dentro de instantes verão dois dos seus companheiros

doing the same thing on the left side.

a fazer a mesma coisa no lado esquerdo.

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

Eles estão a construir um mapa do pomar.

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

Dentro do mapa há um mapa de cada planta neste pomar.

(Robot buzzing)

(Zumbido de robô)

Let's see what those maps look like.

Vamos ver o aspeto desses mapas.

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

No próximo vídeo, vamos ver as câmaras que estão a ser utilizadas neste robô.

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

Em cima à esquerda está uma câmara padrão a cores.

On the left-center is an infrared camera.

No centro à esquerda está uma câmara de infravermelhos.

And on the bottom-left is a thermal camera.

E em baixo à esquerda está uma câmara térmica.

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

No painel principal, vemos uma reconstrução a três dimensões

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

de todas as árvores no pomar à medida que os sensores passam pelas árvores.

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

Munidos com estas informações, podemos fazer várias coisas.

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

A primeira coisa mais importante que podemos fazer é muito simples:

count the number of fruits on every tree.

contar o número de frutos em cada árvore.

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

Ao fazer isso, diremos ao agricultor quantos frutos há em cada árvore

and allow her to estimate the yield in the orchard,

o que lhe permitirá 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 agarrar em modelos de plantas, fazer reconstruções tridimensionais,

and from that estimate the canopy size,

e a partir disso, calcular o tamanho da copa das árvores,

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

e depois correlacionar o tamanho da copa

com o tamanho da área foliar de cada planta.

And this is called the leaf area index.

Chama-se a isso o índice de área foliar.

So if you know this leaf area index,

Então, quando sabemos este índice de área foliar,

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

temos basicamente uma medida de quanta fotossíntese é possível em cada planta,

which again tells you how healthy each plant is.

o que nos diz quão saudável cada planta é.

By combining visual and infrared information,

Ao combinar informações visuais e de infravermelhos,

we can also compute indices such as NDVI.

também podemos calcular índices, tais como o NDVI.

And in this particular case, you can essentially see

Neste caso particular, podemos ver, essencialmente,

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

que há certas culturas que não estão tão bem como outras.

This is easily discernible from imagery,

Isso é facilmente percetível a partir de imagens,

not just visual imagery but combining

não apenas imagens visuais,

mas combinando imagens visuais com imagens a infravermelho.

both visual imagery and infrared imagery.

And then lastly,

E finalmente, uma coisa que estamos interessados em fazer

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

é detetar o início precoce da clorose.

and this is an orange tree --

Esta é uma laranjeira

which is essentially seen by yellowing of leaves.

que se destaca sobretudo pelo amarelecimento das folhas.

But robots flying overhead can easily spot this autonomously

Os robôs voadores podem facilmente detetar isso de forma autónoma

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

e, depois, informar o agricultor que há um problema

in this section of the orchard.

nesta secção do pomar.

Systems like this can really help,

Sistemas como este podem ajudar,

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

e nós estamos a projetar colheitas que podem melhorar em cerca de 10%.

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

Mais importante ainda, podem diminuir a quantidade de consumos,

by 25 percent by using aerial robot swarms.

como a água, em 25%, usando enxames de robôs aéreos.

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

Por último, quero aplaudir as pessoas que 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 são responsáveis pelas três demonstrações que viram.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)