El avance de la navegación inspirado en las hormigas permite pequeños robots autónomos

Diseño de movimiento INSIDER

Imagen timelapse de uno de los caminos recorridos por el robot. (Imagen:Los investigadores)

¿Alguna vez te has preguntado cómo los insectos pueden ir tan lejos más allá de su hogar y aun así encontrar el camino a casa? La respuesta a esta pregunta no sólo es relevante para la biología, sino también para crear IA para robots diminutos y autónomos. Los investigadores de drones de TU Delft se sintieron inspirados por los hallazgos biológicos sobre cómo las hormigas reconocen visualmente su entorno y lo combinan con contar sus pasos para regresar sanos y salvos a casa. Han utilizado estos conocimientos para crear una estrategia de navegación autónoma para robots pequeños y livianos. La estrategia permite a estos robots volver a casa después de largas trayectorias, y requiere muy poca computación y memoria (1,16 kB por 100 m). En el futuro, los pequeños robots autónomos podrían encontrar una amplia gama de usos, desde monitorear el stock en los almacenes hasta encontrar fugas de gas en sitios industriales. Los investigadores publicaron sus hallazgos en Science Robotics. , el 17 de julio de 2024.

Pequeños robots, desde decenas hasta unos pocos cientos de gramos, tienen el potencial de realizar muchas aplicaciones interesantes en el mundo real. Gracias a su peso ligero, son extremadamente seguros incluso si chocan accidentalmente con alguien. Como son pequeños, pueden navegar en zonas estrechas. Y si se pueden fabricar a bajo costo, se pueden implementar en grandes cantidades, de modo que puedan cubrir rápidamente un área grande, por ejemplo en un invernadero para la detección temprana de plagas o enfermedades. Sin embargo, hacer que robots tan pequeños funcionen por sí solos es difícil, ya que tienen recursos extremadamente limitados en comparación con los más grandes.

Un obstáculo importante para el uso de robots diminutos es que, para aplicaciones del mundo real, tendrán que poder navegar por sí mismos con ayuda de una infraestructura externa. Podrían utilizar estimaciones de ubicación de satélites GPS en exteriores o de balizas de comunicación inalámbrica en interiores. El GPS sólo se puede utilizar en exteriores y puede ser muy impreciso en entornos desordenados, como en cañones urbanos. Además, instalar y mantener balizas en espacios interiores es bastante costoso o simplemente imposible, por ejemplo, en escenarios de búsqueda y rescate.

La IA necesaria para la navegación autónoma con sólo recursos a bordo se ha desarrollado pensando en robots grandes, como los coches autónomos. Algunos de estos enfoques se basan en sensores pesados ​​y que consumen mucha energía, como LiDAR, que no pueden ser transportados ni alimentados por robots pequeños. Otros enfoques utilizan sensores de visión, que normalmente intentan crear mapas 3D muy detallados del entorno. Sin embargo, eso requiere grandes cantidades de procesamiento y memoria, que sólo pueden ser proporcionadas por computadoras que son demasiado grandes y consumen mucha energía para robots diminutos.

Por eso algunos investigadores han recurrido a la naturaleza en busca de inspiración. Los insectos son especialmente interesantes, ya que operan a distancias que podrían ser relevantes para muchas aplicaciones del mundo real mientras utilizan recursos informáticos y de detección muy escasos. Los insectos combinan el seguimiento de su propio movimiento (odometría) con comportamientos guiados visualmente basados en su sistema visual de baja resolución, pero casi omnidireccional (memoria de visualización).

Mientras que la odometría se comprende cada vez más, incluso hasta el nivel neuronal, los mecanismos precisos que subyacen a la memoria visual se comprenden menos. Por lo tanto, existen múltiples teorías contrapuestas sobre cómo los insectos utilizan la visión para navegar. Una de las primeras teorías propone un modelo de “instantánea”, en el que un insecto, como una hormiga, ocasionalmente toma fotografías de su entorno. Más tarde, al llegar cerca de la ubicación en la instantánea, puede comparar su percepción visual actual con la instantánea y moverse para minimizar las diferencias. Esto permite que el insecto navegue, o "regrese", a la ubicación de la instantánea, eliminando cualquier deriva que inevitablemente se acumula cuando solo se realiza la odometría.

"La navegación basada en instantáneas se puede comparar con cómo Hansel intentó no perderse en el cuento de hadas de Hansel y Gretel. Cuando Hansel arrojó piedras al suelo, pudo regresar a casa, pero cuando arrojó migas de pan que se comieron los pájaros, se perdió. En nuestro caso, las piedras son las instantáneas", dijo Tom van Dijk, primer autor del estudio. "Al igual que con una piedra, para que una instantánea funcione, el robot tiene que estar lo suficientemente cerca de la ubicación de la instantánea. Si el entorno visual se vuelve demasiado diferente del de la ubicación de la instantánea, el robot podría moverse en la dirección equivocada y nunca regresar. Por lo tanto, uno tiene que usar suficientes instantáneas o, en el caso de Hansel, dejar caer una cantidad suficiente de piedras. Por otro lado, dejar caer piedras demasiado cerca unas de otras agotaría las piedras de Hansel demasiado rápido. En el caso de un robot, usar demasiadas Las instantáneas conllevan un gran consumo de memoria. Los trabajos anteriores en este campo normalmente tenían las instantáneas muy juntas, de modo que el robot podía localizar visualmente primero una instantánea y luego la siguiente”.

"La idea principal que subyace a nuestra estrategia es que se pueden espaciar las instantáneas mucho más si el robot viaja entre instantáneas basándose en la odometría", dijo el profesor Guido de Croon, coautor del artículo. "La orientación funcionará siempre que el robot termine lo suficientemente cerca de la ubicación de la instantánea, es decir, siempre que la deriva odométrica del robot caiga dentro del área de captación de la instantánea. Esto también permite que el robot viaje mucho más lejos".

La estrategia de navegación propuesta inspirada en insectos permitió que un dron Crazyflie de 56 gramos, equipado con una cámara omnidireccional, cubriera distancias de hasta 100 metros con solo 1,16 kB. Todo el procesamiento visual se realizó en un pequeño microcontrolador.

"La estrategia de navegación propuesta inspirada en insectos es un paso importante en el camino hacia la aplicación de pequeños robots autónomos en el mundo real", dijo de Croon. "La funcionalidad de la estrategia propuesta es más limitada que la proporcionada por los métodos de navegación más modernos; no genera un mapa y solo permite que el robot regrese al punto de partida. Aún así, para muchas aplicaciones esto puede ser más que suficiente. Por ejemplo, para el seguimiento de existencias en almacenes o el seguimiento de cultivos en invernaderos, los drones podrían volar, recopilar datos y luego regresar a la estación base. Podrían almacenar imágenes relevantes para la misión en una pequeña tarjeta SD para su procesamiento posterior en un servidor".

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