Roboten, människans bästa vän

Föreställ er landskapet efter en kraftig jordbävning. En person ur räddningsstyrkan tar sig fram genom spillrorna; bråte tornar upp sig överallt, och hon rör sig långsamt mot en raserad byggnad. Så stannar hon till och vinkar och en liten helikopter, stor som en knuten näve, dyker blixtsnabbt upp och susar förbi hennes huvud. Den tar sig in i ruinen och efter en stund kommer en signal till hennes mobiltelefon – helikoptern har hittat en lucka i ruinerna. Kanske ligger det en människa där.

Det kan låta som science fiction. Men sedan ett år tillbaka har Patrick Doherty och Alexander Kleiner med sin forskargrupp vid Linköpings universitet arbetat med att skapa helikoptrar sammankopplade med en människa. Deras smarta flygande robotar ska kunna användas efter en jordbävning, en tsunami, eller andra katastrofer, då räddningspersonalen är mycket upptagen.

– De har inte lyxen att hinna sätta sig vid tangentbord och skicka instruktioner till en robot, säger Patrick Doherty, och då kan våra smarta flygande robotar vara till nytta.

De två små helikoptrar som står på en arbetsbänk i laboratoriet ser ut som leksaker. Den ena är vit och cylindrisk och ser ut ungefär som en yoghurtburk. Fyra små propellrar sitter på ben som sticker ut i räta vinklar. Den andra ser mer ut som en vanlig helikopter, stor som en näve, med fyra rotorblad i toppen. Den är inbäddad i ett sfäriskt nät som ska skydda helikoptern om den krockar.

Men det här är inte några fjärrstyrda leksaker som kan köpas i en leksaksaffär och som kanske går sönder efter ett par dagar. Dessa små flygande maskiner vet hur man navigerar på egen hand, och är tuffa nog att tåla dåligt väder och kraschlandningar. De har också ett viktigt uppdrag: de tränas för att kunna samarbeta med räddningspersonalen vid allvarliga katastrofer.

De små Linköpingshelikoptrarna – obemannade luftfarkoster (unmanned aerial vehicles, UAV) – ingår i en större satsning på att skapa tänkande räddningsrobotar som pågår runt om i världen.

– Tanken är att en liten flygande farkost ska följa hjälppersonalen tätt i hälarna, säger Patrick Doherty. Man ska till exempel kunna styra roboten genom att tala i en mobiltelefon eller bara peka: Stanna! Det ligger en skadad människa där.

Patrick Doherty vill också lära de flygande robotarna att leverera förnödenheter och matpaket till de drabbade.

– Dessa robotar ska inte lära sig som en människa, men de ska inte heller förprogrammeras exakt om vad som finns att göra, säger Alexander Kleiner. Däremot ska de kunna plocka upp information själva i en katastrofsituation. Deras ögon är videokameror eller infraröda laserstrålar som mäter höjden till marken nedanför. Så småningom kommer de att hjälpa människor att fatta beslut för att rädda liv på andra människor.

Idén om obemannade fordon, UAV, är inte ny. Fjärrstyrda små helikoptrar och flygplan som flyger in i krigszonens luftrum för att kartlägga fiendelandet eller söka efter stridande och vapeninstallationer har funnits länge. Men UAV som ska rädda människor befinner sig fortfarande under utveckling.

Patrick Doherty och hans doktorander löste några av problemen med AI-robotar genom att först använda färdigbyggda hundrakilos helikoptrar från Yamaha motor company. Dessa fjärrstyrda tunga jättar var ursprungligen avsedda för att sprida bekämpningsmedel och konstgödsel. De hade sålts till jordbrukare i Japan, och var programmerade så att de garanterat inte skulle flyga utan hjälp av en människa.

Med lite justeringar, och en del extra utrustning, omvandlade Linköpingslaget dem till tänkande helikoptrar som kan skaffa sig överblick över en katastrofscen från luften. I ett test flög helikoptrarna över ett stort gräsbevuxet område där de med videokameror och andra sensorer kartlade mörka fläckar på marken. Så jämförde datorerna ombord resultatet med vad de visste om mänskliga kroppar sedda på långt håll, delvis baserat på tusentals bilder av kroppar i olika positioner.

I ett försök som genomfördes 2005 på Räddningstjänstens skola i Revinge, flög små farkoster över ett fält som delades upp i ett rutnät. De kartlade fältet metodiskt och lyckades finna samt korrekt identifiera ett tiotal människor och mänskliga dockor som låg utspridda på marken. Försöket motsvarade ett av de första övervakningsuppdrag som en räddningsinsats kan behöva utföra efter en tsunami eller en jordbävning i sökandet efter skadade människor. Nästa steg skulle vara att leverera läkemedel och matpaket, men där är som sagt forskarna inte än.

Linköpingsgruppen har skapat ett nytt programmeringsspråk för sina robotar så att de ska kunna välja vilka uppgifter som är viktigast.

– Varje enhet kommer också att själv kunna bestämma om den har möjlighet att utföra dessa uppgifter, säger Doherty. Om till exempel batteriet i en mikrohelikopter håller på att ta slut, så att den inte kan hinna kartlägga ett helt område, kan roboten överföra uppgiften till en annan flygande robot, och kanske också lämna över andra uppgifter till folk i det egna laget.

– I slutet av året bör vi kunna visa upp en liten helikopter som av sig själv kan följa en person, utan att hon eller han styr den, säger Patrick Doherty.

Samtidigt arbetar Linköpingsgruppen och deras kolleger på andra laboratorier i världen med eventuella gränssnitt för kommunikation mellan människan och hennes robot. Tekniken kan användas för att skicka meddelanden till roboten om vad den ska göra härnäst, och för att ta emot meddelanden från roboten om uppgifter som människan ska utföra.

– Inom två år kommer vi att få se mycket effektiva sådana tekniker, säger Patrick Doherty.

Mikrohelikoptrarna har redan kommersialiserats och säljs för flera tusen euro styck till andra forskare. De har tillräckligt med plats för att till exempel rymma instrument för övervakning av lufttemperatur eller en kamera som tar flygbilder.

I dag kan Linköpings flottilj av små robotar flyga i grupp och arbeta tillsammans för att navigera i och kartlägga ett område. Men än så länge bara på prov; robotarna har ännu inte varit med om en verklig katastrof.

Patrick Doherty beklagar att de flygande autonoma robotarna inte fick inspektera kärnkraftverket i Fukushima efter jordbävningen och tsunamin den 11 mars 2011.

– Det hade varit spännande och troligen nyttigt att skicka in våra helikoptrar för att spåra strålning på insidan och kartlägga byggnadens inre. Markrobotarna var relativt framgångsrika där, även om de hade vissa svårigheter, som att ta sig uppför alltför smala trappor.

– Flygande mikrorobotar har inte tekniken färdigutvecklad ännu, så de har inte fått förtroendet, säger Robin Murphy, ledande specialist på sök- och räddningsrobotar vid Texas A&M university. Hon övervägde möjligheten att använda mikrohelikoptrarna i Fukushima, men de fick inte flyga in i ruinerna.

– Det hängde en massa skrot där, och de flesta helikoptrar har inte radar, säger hon. De kan inte se saker i luften. Om en liten helikopter krockar eller förlorar sin trådlösa uppkoppling är den till ingen nytta.

I själva verket kan en misslyckad räddnings-robot skapa fler problem än den skulle kunna lösa, varnar Robin Murphy. Ett exempel på detta inträffade under en räddningsinsats i en gruva nyligen, då hennes grupp följde en robot som fastnade i ett borrhål och gjorde borrhålet oanvändbart. Följden blev att räddningsaktionen försenades: det tog två dagar att borra ett nytt hål, 400 meter ner i gruvan.

Men Robin Murphy anser att Linköpingsforskarna ändå är på rätt väg.

– Deras robotar tar inte bara vackra bilder och gör vackra kartor – de utvecklar också perspektivseendet.

– Om en intelligent helikopter kan undersöka skadorna på en byggnad, sparar de mycket extratid för räddningsmanskapet, säger Richard Voyles. Han är robotforskare på University of Denver, Colorado, och har tidigare arbetat med Alexander Kleiner.

– Bygginspektörer är svåra att få tag på, säger Voyles, särskilt inom det viktigaste tidsspannet, det vill säga fram till 48–72 timmar efter att katastrofen har inträffat. Det är den tiden man har på sig för att hinna hitta människor som befinner sig i fara.

– Om man kunde få robotar att hjälpa inspektörerna så kan man sedan skicka deras bilder till experter på andra håll i världen, säger Richard Voyles. Det skulle frigöra dyrbar tid för både robotar och folk på plats att i stället söka efter skadade människor och förhoppningsvis rädda fler.

Medan intelligenta helikoptrar från Linköping kan bedöma utsidan på en byggnad, har forskare på andra håll arbetat med att få helikoptrarna att fungera även inuti byggnaden, där bristen på GPS och annan satellitnavigering innebär utmaningar. År 2006, då Alexander Kleiner arbetade vid universitetet i Freiburg i Tyskland, kopplade forskargrupperna virtuellt samman en liten flygande robot från Linköping med en markbaserad robot. Så kunde den lilla roboten skickas på uppdrag inomhus.

– Inne har du ingen satellitinformation, säger Patrick Doherty. Då är det svårt att flyga – du måste veta din position för att ta dig vidare. Den lilla helikoptern flög med hjälp av markroboten, som talade om för den att till exempel flyga en meter framåt. Markroboten använder mätningar från sin egen video och laser för att se om något är i vägen.

Linköpingsgruppens yttersta mål är att få robotar och människor att arbeta i lag, både självständigt och i samverkan. Dagens militära drönare kräver i snitt tre personer för att driva en maskin.

– Det ideala vore det motsatta – en människa på tre minirobotar, säger Richard Voyles, som är programansvarig för akademisk robotforskning i USA.

För närvarande inriktas den forskningen på autonoma robotar som kan möta specifika utmaningar. En första sådan formulerades av amerikanska DARPA, (Defense Advanced Research Projects Agency) vars uppdrag är att bedriva och finansiera forskning för att utveckla teknologi för militära ändamål.

Årets utmaning är att få roboten att agera under farliga omständigheter, med stor ödeläggelse. Alexander Kleiner noterar att uppgiften påminner om den i Fukushima, där robotarna skulle behövt kunna använda verktyg för att ta sig fram i en kollapsad byggnad.

– Det handlar inte bara om att rädda människor, och kan robotarna utföra den typen av uppgifter då kan de göra nästan allt.

Men forskarna från Linköping tänker inte anta årets DARPA-utmaning. Först vill de få sina smarta mikrohelikoptrar att kommunicera både med varandra och med människor. Sedan ska deras autonoma robotsystem få lära sig att jobba själva med räddningsuppdrag.

De ska till exempel kunna förstå en ritning och göra en tredimensionell karta, identifiera hjärtljud från en människa, flyga genom öppna fönster och dörrar och hitta utrymmen i en kollapsad byggnad som är värda att söka i efter överlevande.

– Mål som för närvarande är omöjliga att nå. Men det är vad som driver forskningen, säger Patrick Doherty.