デルフト工科大学とワーヘニンゲン大学・研究所の研究者たちは、ドローンが故障に近づいている状況を識別し、制御を失う前に調整を行うことができる新しい方法を開発しました。この方法は、エコシステムが臨界点に近づくことを予測する「臨界減速」と呼ばれる自然界の概念を取り入れています。研究者たちは、この原理がドローンや航空機、自動運転車両などのアクティブコントロールシステムにおける不安定性の初期兆候を識別するためにも使用できることを発見しました。従来の詳細な物理モデルに依存する監視方法とは異なり、この新技術は機載センサーのデータを利用して、システムの擾乱に対する反応の微妙な変化を検出します。
研究者たちは、この技術がドローンが損傷を受けた後でも安全に運行できるのに役立つと指摘しています。
この研究成果は、自動化システムの安全性を向上させることが期待されており、これらのシステムがパッケージ配達、インフラ点検、緊急対応などのアプリケーションでますます普及する中、その重要性が一層際立っています。研究者たちは、この技術を人間の自然な反応、つまり怪我をしたときの反応と比較しました。デルフト工科大学の研究者ジャスパー・ファン・ビールスは、「私たちの方法は人間が痛みを感じる方法に匹敵します。怪我をした後、痛みは私たちの状態に関する即時のフィードバックを提供し、どの行動がまだ安全であるかを判断するのに役立ちます。」と述べています。彼は、機械は一般的にこのような自己意識を欠いているが、新しい指標はリアルタイムの測定データに基づいており、エンジニアリングシステムがその限界に近づいていることを識別する能力を提供する第一歩であると指摘しています。
新技術がドローンの損傷後の安全運行を支援
自然界では、臨界減速の現象はエコシステムが弾力性を失い、擾乱を受けた後に回復するのにより長い時間がかかるときに発生します。例えば、健康な森林は乾燥季節の後に迅速に回復するかもしれませんが、繰り返されるストレスはこの回復を徐々に遅くし、最終的には小規模な気候イベントでも広範な崩壊を引き起こす可能性があります。科学者たちは長い間この現象を利用してエコシステムや気候変動を研究してきましたが、自動制御システムを通じて行動を調整する技術に適用できるかどうかは不明でした。この研究は、これらの初期警告指標が制御されたシステムが不安定な状態に近づいているときに信頼性を持って検出できることを発見しました。
この概念をテストするために、研究チームはデルフト工科大学のCyberZooドローン研究施設で実験を行いました。彼らは意図的にドローンを損傷させ、制御を失う寸前まで追い込み、飛行データとコンピュータシミュレーションの結果を分析しました。実験は、損傷、飛行条件、および飛行操作の組み合わせがどのように不安定を引き起こす可能性があるかを明らかにしました。研究者たちは、これらの警告指標がドローンが損傷を受けた後に即座に行動を調整し、飛行を維持するのを助けることができることを示しました。これは、人間が足首を捻挫した後に歩き方を変えるのに似ています。ファン・ビールスは、「異なる科学分野の知識を統合することで——この場合は航空工学と生態学——私たちは常にブレークスルーを推進し、基礎研究を実用技術に変換するのを助けています。」と述べています。
この方法は低コストの機載センサーのデータに依存しており、詳細なエンジニアリングモデルを必要としないため、研究者たちは航空機の予知保全、インフラ監視、製造品質管理、自動運転車両などの分野にも応用できると考えています。この研究は『アメリカ国家科学アカデミー紀要』に発表されました。