خنفساء مع معدات البحث والإنقاذ المُزوّدة بالذكاء الاصطناعي

قام باحثون في مجال الروبوتات على الصعيد الدولي بتطوير نظام بحث وإنقاذ حضري (USAR) يستخدم “خنفساء قابلة للتوجيه” حية لنقل نظام كشف الناجين المُزوّد بذكاء اصطناعي يعمل بالتحكم عن بعد في سيناريوهات الكوارث التي لا يمكن التنقل فيها.

النظام هو تعاون بين أقسام البحث في سنغافورة والصين وألمانيا وبريطانيا. ويستخدم خنفساء مدغشقر كوسيلة نقل، ويتمتع بقدرة كافية على العمل لعدة ساعات.

المصدر: https://arxiv.org/abs/2105.10869

تتميز المنظومة الهجينة للبحث والإنقاذ بنموذج تعلم آلي لاكتشاف الإنسان تم تدريبه على صور بالأشعة تحت الحمراء، ويعمل نظام الكشف عن الأشعة تحت الحمراء المتنقل بشكل مستقل عند الضرورة، ويرسل الناجين الذين تم العثور عليهم إلى محطة تشغيل قاعدة.

الموارد المحلية المحدودة

يتطلب الإطار العمل بالذكاء الاصطناعي تشغيله على موارد رقيقة بشكل استثنائي: فقط 191.8 كيلو بايت من الذاكرة الثابتة و 1988 كيلو بايت من ذاكرة الفلاش متاحة للنظام من المتطلبات العامة للطاقة للأجهزة، والتي يجب أن توفر أيضًا التحفيز الكهربائي للحشرة.

تتكون الكتلة الوظيفية الثلاثة ل背pack الخنفساء، الموضحة أعلاه، من التحفيز اللاسلكي ووحدة التحكم الرئيسية والمكونات المحيطية، مع نظام الذكاء الاصطناعي المشتق من الأشعة تحت الحمراء ووظيفة الملاحة المدمجة في وحدة التحكم الرئيسية. تم تقسيم دائرة الهيكل إلى عدة مكونات لتناسب هندسة الخنفساء بشكل أفضل.

تتم التحكم في خنفساء مدغشقر (من بين أكبر الأنواع في العالم، بحد أقصى 15 غرام من سعة الحمل) بواسطة صدمات كهربائية صغيرة توجيهها في اتجاه أو آخر، من خلال أربعة أقطاب متصلة بالخنفساء (سيرسي) وبطنها. يتم تثبيت الأقطاب باستخدام شمع النحل.

إضافة الذكاء الاصطناعي إلى بحث وإنقاذ الحشرات

تطوير المبادرة الجديدة للعمل السابق في جامعة كاليفورنيا بيركلي وجامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة، والتي تصورت لأول مرة استخدام خنافس قابلة للتوجيه في سيناريوهات البحث والإنقاذ الحضري.

بحث عام 2016 حول التحكم في مسار طيران الخنفساء. المصدر: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

على الرغم من أن الخنافس لها القدرة الإضافية على الطيران، فإن سعة حملها تقل بشكل متناسب، مما يقلل من القدرات المحتملة للتكنولوجيا على متنها، ويجعل استهلاك الطاقة يصل إلى مستوى حرج، خاصة في حالة ضرورة تشغيل خوارزمية تعلم الآلة.

نظام التعرف على البشر التابع للبحث والإنقاذ على متن الطائرة يستخدم نموذج تصنيف الصور باستخدام آلة دعم المتجهات (SVM) و مخطط التدرج المعنّى بالاتجاه.

توجيه حركة الخنفساء بواسطة نظام الملاحة المتكامل، ويوجه “البيو بوت” إلى وجهة محددة مسبقًا دون أي معرفة بالعوائق المتداخلة. في معظم الأحيان، تحل مهارات الملاحة القوية للخنفساء معظم المشاكل في الوصول إلى موقع غير قابل للوصول.

المصدر: https://arxiv.org/abs/2105.10869

يتم التقاط الصور بواسطة نظام الأشعة تحت الحمراء على متن الطائرة بسرعة 1 هرتز، ويعمل بنجاح في المناطق المظلمة، ويرسل أي ناجين يتم العثور عليهم إلى مركز قيادة في الوقت الفعلي.为了 절약 الطاقة، يبدأ نظام تحليل الصور في العمل فقط إذا تم تشغيله بواسطة قراءة الأشعة تحت الحمراء الإيجابية.

يحتل النموذج 18.3 كيلو بايت من ذاكرة الفلاش و 52.2 كيلو بايت من الذاكرة الثابتة، ويتحقق من وقت الحساب في 95 ملي ثانية. الوقت المناسب للمعالجة ضروري في سيناريو البحث والإنقاذ الحضري، حيث يمكن أن يتم تجاهل التوقيعات البعيدة بالأشعة تحت الحمراء في فترة المعالجة مع تغيير اتجاه الخنفساء وعبورها للمناطق.

كما تتميز المنظومة بوجود حساسات لمراقبة درجة الحرارة والرطوبة وثاني أكسيد الكربون، من أجل تقديم تقارير عن الظروف المحلية لمحاولة إنقاذ محتملة، وتمكين مركز القيادة من توجيه الخنفساء بعيدًا عن أي وضع قد يعرضها للخطر.

اختبار في بيئات محاكاة

تم اختبار النظام في سيناريو كوارث محاكى (الصور أعلاه)، مع التفاوض الفعال على العوائق، باستثناء بعض التكوينات الصعبة بشكل خاص التي تتضمن صعودًا شديدًا، حيث أن الخنفساء في وضع غير مُفضّل من حيث الوزن بسبب المعدات المرفقة.

كانت هندسة الملاحة في البداية تميل إلى الانسداد عند مواجهة عوائق هائلة، مثل الحالات التي لا يمكن للخنفساء أن تتقدم فيها، وطور الباحثون لاحقًا نظام ملاحة بالتعويض التنبؤي لتحسين الأداء في مواجهة العوائق العالية.

في حالة حدوث فشل، يخلص الباحثون إلى أن هذا يمكن أن يُعالج بزيادة مدة التجربة، على الرغم من أن هذا له آثار على سيناريو البحث والإنقاذ الحرج للوقت.

منظور الأشعة تحت الحمراء

يتميز نظام الكاميرا بالأشعة تحت الحمراء على متن الطائرة بمواصفات متواضعة، يعمل عند 32×32 بكسل بزاوية رؤية 90 درجة. يتم تمرير الصور، عند التنشيط، عبر مرشح تقليل الضوضاء المتوسطة.

تصل نسبة نجاح النظام في التمييز بين الأشخاص والأنواع الأخرى من التوقيعات الحرارية إلى 87٪، وترتفع إلى 90٪ عند وجود في نصف قطر قربي يبلغ 0.5 متر و 1.5 متر.

بسبب قيود الطاقة وحجم الرقاقة، لا يتضمن الدراسة الأولية نظام تحديد الموقع على متن الطائرة، وبالتالي لا يمكن تتبع موقع الخنفساء في الوقت الفعلي. ويقترح الباحثون أن يمكن تنفيذ تقدير المكان كحلول لتوفير الطاقة، مع إرسال إشارات موقع منخفضة الطاقة إلى مركز القيادة، في التطبيقات المستقبلية.

الحشرات كمنقذين

جلبت السنوات العشر الماضية سلسلة من المشاريع البحثية التي تهدف إلى استخدام متانة الحشرات وقدرات الملاحة لإنشاء أنظمة روبوتية هجينة أو نقية للبحث والإنقاذ. بالإضافة إلى العمل المتعلق بالخنافس في عام 2016 الذي يسبق هذه المبادرة، هناك محاولات عديدة لتحقيق القدرات الحشرية في شكل روبوتي خالص.

تتضمن هذه المحاولات مشروع بحثي في عام 2019 من جامعة كولومبيا الذي قدم روبوتًا بسيطًا من الناحية الهندسية مستندًا إلى مبادئ الخنفساء، وهو أحد أولى المشاريع من نوعها التي تُعنى بتعامل مع هشاشة الحشرات الروبوتية.