¿Alguna vez te has preguntado cómo los insectos pueden viajar tan lejos de su hogar y aun así encontrar su camino? La respuesta a esta pregunta no sólo es relevante para la biología, sino también para la construcción de IA para robots pequeños y autónomos. Los investigadores de drones de TU Delft se inspiraron en los hallazgos biológicos de cómo las hormigas reconocen visualmente su entorno y lo combinan con el recuento de pies para regresar a casa de forma segura. Han utilizado estos conocimientos para desarrollar estrategias de navegación autónoma inspiradas en insectos para robots pequeños y livianos. La estrategia permite a estos robots regresar a casa después de largos viajes, y requiere muy poca computación y memoria (0,65 KB por 100 m). En el futuro, los pequeños robots autónomos podrían encontrar una amplia gama de usos, desde el seguimiento de existencias en almacenes hasta la detección de fugas de gas en zonas industriales. Los investigadores han publicado sus hallazgos. robótica científica, El 17 de julio de 2024.
Defendiendo al pequeño
Los robots tan pequeños como de decenas a unos pocos cientos de gramos tienen el potencial para aplicaciones interesantes en el mundo real. Gracias a su peso ligero, son extremadamente seguros incluso si chocan accidentalmente con alguien. Como son pequeños, pueden meterse en espacios reducidos. Y si pueden abaratarse, pueden desplegarse en grandes cantidades para cubrir rápidamente una gran superficie, por ejemplo en invernaderos para la detección temprana de plagas o enfermedades.
Sin embargo, estos pequeños robots son difíciles de operar por sí solos, ya que tienen recursos muy limitados en comparación con los robots más grandes. Un obstáculo importante es que deben poder navegar por sí solos. Para ello, los robots pueden contar con la ayuda de infraestructura externa. Pueden utilizar la estimación de ubicación desde satélites GPS en exteriores o desde balizas de comunicación inalámbrica en interiores. Sin embargo, a menudo no es aconsejable depender de dicha infraestructura. El GPS no está disponible en interiores y puede ser extremadamente impreciso en entornos desordenados como cañones urbanos. Y la instalación y el mantenimiento de balizas en interiores es bastante caro o simplemente imposible, por ejemplo en escenarios de búsqueda y rescate.
La IA necesaria para la navegación autónoma con sólo recursos a bordo está diseñada pensando en robots grandes, como los coches autónomos. Algunos enfoques se basan en sensores voluminosos y que consumen mucha energía, como los láseres LiDAR, que pueden o no ser transportados fácilmente por pequeños robots. Otro enfoque utiliza el sentido de la visión, que es un sensor muy poderoso que proporciona información valiosa sobre el medio ambiente. Sin embargo, estos enfoques suelen intentar crear mapas 3D muy detallados del entorno. Esto requiere grandes cantidades de procesamiento y memoria, que sólo pueden ser proporcionadas por computadoras que son demasiado grandes y consumen mucha energía para robots pequeños.
Contando pasos y rutas de navegación visuales
Por eso algunos investigadores han recurrido a la naturaleza en busca de inspiración. Los insectos son particularmente interesantes porque operan a distancia utilizando muy pocos recursos sensoriales e informáticos que pueden ser relevantes para muchas aplicaciones del mundo real. Los biólogos comprenden cada vez más las estrategias básicas utilizadas por los insectos. En particular, los insectos utilizan su sistema visual de baja resolución, pero casi omnidireccional (llamado “memoria de visualización”) para correlacionar sus movimientos (llamado “odometría”) con el comportamiento guiado visualmente. Aunque la odometría se comprende cada vez más, incluso hasta el nivel neuronal, los mecanismos precisos que subyacen a la memoria visual aún no se conocen bien. Una de las primeras teorías sobre cómo funciona esto sugiere un modelo de “instantánea”. En él, se sugiere que un insecto como una hormiga haga dibujos ocasionales de su entorno. Más tarde, al acercarse a la instantánea, el insecto puede comparar su percepción visual actual con la instantánea y moverse para minimizar la diferencia. Esto permite al gusano navegar, o “regresar”, a la ubicación de la instantánea, eliminando cualquier deriva que inevitablemente se acumula al realizar únicamente la odometría.
“La navegación basada en instantáneas se puede comparar con cómo Hansel intentaba no perderse en el cuento de hadas de Hansel y Gretel. Cuando Hansel arrojaba piedras al suelo, podía volver a casa. Sin embargo, cuando tiraba los trozos de pan que fueron devorados por los pájaros, Hans y Gretel se perdieron, en nuestro caso las piedras son instantáneas.” “Al igual que una roca, para que una instantánea funcione, el robot debe estar lo suficientemente cerca de la ubicación de la instantánea. Si el entorno visual en la ubicación de la instantánea cambia demasiado”, dice Tom van Dijk, primer autor del estudio, el robot puede hacerlo. moverse en la dirección equivocada y nunca regresar, por lo que uno tiene que usar muchas instantáneas, o de lo contrario terminará arrojando rocas muy juntas. En el caso de un robot, normalmente las tareas previas en el campo. tener instantáneas muy cercanas, de modo que el robot pueda ver una instantánea antes que la siguiente”.
“La idea central de nuestra estrategia es que se pueden espaciar las instantáneas mucho más si el robot viaja entre instantáneas basándose en la odometría”. “La orientación funcionará siempre que el robot esté lo suficientemente cerca de la ubicación de la instantánea, es decir, siempre que la deriva odométrica del robot esté dentro de la instantánea”, dice Guido de Crone, profesor titular de drones bioinspirados y coautor de El articulo.Viene. Zona de captación También permite que el robot viaje mucho más lejos, ya que vuela mucho más lento cuando se dirige a una instantánea que cuando vuela de una instantánea a otra según la odometría”.
La estrategia de navegación propuesta, inspirada en los insectos, permitió al dron “CrazyFlie” de 56 gramos, equipado con una cámara omnidireccional, viajar hasta 100 metros con sólo 0,65 kilobytes. Todo el procesamiento visual se realizaba en una pequeña computadora llamada “microcontrolador”, que se puede encontrar en muchos dispositivos electrónicos económicos.
Poniendo la tecnología robótica a trabajar
“La estrategia de navegación propuesta inspirada en insectos es un paso importante en el camino hacia la implementación de pequeños robots autónomos en el mundo real”. “La funcionalidad de la estrategia propuesta es mucho más limitada que la que ofrecen los métodos de navegación más modernos que no cartografían y, sin embargo, puede ser más que suficiente para muchas aplicaciones”, afirma Guido de Crone, por ejemplo, para el seguimiento de poblaciones. Los drones en invernaderos pueden volar, recopilar datos y luego regresar a una estación base, pero no serán necesarios para el posprocesamiento por parte de un servidor”.
