Eine Kakerlake mit AI-gestützter Suche- und Rettungsausrüstung

Internationale Roboterforscher haben ein Urban Search And Rescue (USAR)-System entwickelt, das eine “steuerbare” lebende Kakerlake verwendet, um ein miniaturisiertes maschinelles Lernsystem mit Infrarot-Überlebenderkennung durch Katastrophenszenarien zu transportieren, die sonst nicht navigierbar wären.

Das System ist eine Zusammenarbeit zwischen Forschungsabteilungen in Singapur, China, Deutschland und dem Vereinigten Königreich. Es verwendet die Kakerlake aus Madagaskar als Fahrzeug und hat genug Energie, um mehrere Stunden zu laufen.

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

Das hybride Rettungssystem verfügt über ein maschinelles Lernmodell für die menschliche Erkennung, das auf Infrarotbildern trainiert wurde, und betreibt das mobile Infrarot-Erkennungssystem, das autonom betrieben werden kann, wenn erforderlich, und gefundenen Überlebenden an eine Basis-Operationsstation zurückmeldet.

Begrenzte lokale Ressourcen

Das maschinelle Lernframework muss auf außergewöhnlich schmalen Ressourcen arbeiten: nur 191,8 kB statisches RAM und 1988 kB Flash-Speicher sind für das System von den allgemeinen Leistungsanforderungen für das Gerät verfügbar, das auch den elektrischen Antrieb für den Insekten bereitstellen muss.

Die drei funktionalen Blöcke des Kakerlaken-Rückens, oben abgebildet, umfassen drahtlose Stimulation, eine primäre Steuereinheit und periphere Komponenten, wobei das IR-abgeleitete maschinelle Lernsystem und die Navigation in die primäre Steuereinheit integriert sind. Der Schaltkreis des Geräts wurde in mehrere Komponenten unterteilt, um die Geometrie der Kakerlake besser zu passen.

Die Kakerlake aus Madagaskar (eine der größten Arten der Welt, mit einer maximalen Tragfähigkeit von 15 g) wird durch kleine elektrische Schocks gesteuert, die sie in eine Richtung oder die andere lenken, die durch vier in die Fühler (Cerci) und in den Bauch des Tieres implantierte Elektroden implementiert werden. Die Elektroden sind mit Bienenwachs gesichert.

Hinzufügen von KI zur Insekten-Suche und Rettung

Die neue Initiative entwickelt vorherige Arbeiten von UC Berkeley und Singapurs Nanyang Technological University weiter, die zuerst die Verwendung von steuerbaren Käfern in USAR-Szenarien konzipierten.

2016 Forschung zur Steuerung des Flugpfads eines Käfers. Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

Obwohl Käfer die zusätzliche Fähigkeit des Fliegens haben, ist ihre Tragfähigkeit entsprechend reduziert, was die potenziellen Fähigkeiten der an Bord befindlichen Technologien verringert und die Energieverbrauchsanforderungen auf ein kritisch hohes Niveau bringt, insbesondere in Fällen, in denen es notwendig ist, einen maschinellen Lernalgorithmus auszuführen.

Das an Bord befindliche autonome menschliche Erkennungssystem in der neuen Initiative verwendet ein Bildklassifizierungsmodell, das Support-Vektor-Maschinen (SVM) und Histogramm der orientierten Gradienten verwendet.

Die Bewegung der Kakerlake wird durch das integrierte Navigationssystem gesteuert und lenkt den “Biobot” zu einem vorbestimmten Ziel, ohne Kenntnisse der dazwischen liegenden Hindernisse. Zum größten Teil löst die Kakerlake ihre eigenen beeindruckenden Navigationsfähigkeiten die meisten Probleme beim Erreichen eines ansonsten unerreichbaren Ortes.

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

Das an Bord befindliche Infrarotsystem erfasst Bilder mit 1 Hz, funktioniert erfolgreich in dunklen Bereichen und meldet gefundenen Überlebenden an eine Kommandozentrale in Echtzeit. Um Energie zu sparen, beginnt das Bildanalysesystem nur zu arbeiten, wenn es durch eine positive Infrarotmessung ausgelöst wird.

Das Modell benötigt nur 18,3 kB Flash-Speicher und 52,2 kB statisches RAM und erreicht eine Rechenzeit von 95 Millisekunden. Eine angemessene Rechenzeit ist in einem USAR-Szenario unerlässlich, da sich entfernte Infrarotsignaturen während des Zeitintervalls, in dem die Kakerlake die Richtung ändert und das Gelände durchquert, sonst verpassen könnten.

Das System verfügt auch über Sensoren, um Temperatur, Feuchtigkeit und CO2 zu überwachen, um lokale Bedingungen für einen möglichen Rettungsversuch zu melden und es der Kommandozentrale zu ermöglichen, das Tier von Situationen fernzuhalten, die es gefährden könnten.

Testen in simulierten Terrains

Das System wurde in einem simulierten Katastrophenszenario (oben abgebildet) getestet, mit effektiver Hindernisbewältigung, außer in bestimmten besonders anspruchsvollen Konfigurationen mit steilen Anstiegen, da die Kakerlake aufgrund der angeschlossenen Ausrüstung ein Gewichtsnachteil hat.

Die Navigationarchitektur neigte anfangs dazu, an überwältigenden Hindernissen stecken zu bleiben, wie in Situationen, in denen sogar die Kakerlake nicht weiterkommen konnte, und die Forscher entwickelten daraufhin ein predictives Feedback-Navigationssystem, um die Leistung bei hohen Hindernissen zu verbessern. Das System erreichte eine Erfolgsrate von 100 % in Umgebungen mit keinen oder geringen Hindernissen und einer höheren Erfolgsrate bei hohen Hindernissen.

Wo der Misserfolg auftrat, schlussfolgern die Forscher, dass dies durch eine Verlängerung der Experimentdauer behoben werden könnte, was jedoch logischerweise Auswirkungen auf ein zeitsensibles USAR-Szenario hat.

Infrarot-Ansicht

Die an Bord befindliche Infrarotkamera hat bescheidene Spezifikationen, arbeitet bei 32×32 Pixeln mit einem 90-Grad-Blickwinkel. Die Bilder, wenn ausgelöst, werden durch einen Median-Denoising-Filter geleitet.

Das System erreicht eine Erfolgsrate von 87 % bei der Unterscheidung von menschlichen Subjekten von anderen Arten von thermischen Signaturen, steigend auf 90 %, wenn in einem Umkreis von 0,5 m und 1,5 m.

Aufgrund von Energie- und Chip-Größenbeschränkungen verfügt die anfängliche Studie nicht über ein an Bord befindliches Lokalisierungssystem, und es ist daher nicht möglich, die Position der Kakerlake in Echtzeit zu verfolgen. Die Forscher schlagen vor, dass Dead-Reckoning als energiesparende Lösung implementiert werden könnte, mit niedrigenergetischen Ortsignalen, die an die Kommandozentrale zurückgesendet werden, in zukünftigen Implementierungen.

Insekten als Such- und Rettungsoperatoren

Die letzten zehn Jahre haben eine Reihe von Forschungsprojekten gebracht, die darauf abzielen, die Widerstandsfähigkeit und Navigationskraft von Insekten zu nutzen, um hybride oder rein robotische Systeme für Such- und Rettungsszenarien zu schaffen. Neben der 2016 durchgeführten Käfer-bezogenen Arbeit, die dieser Initiative vorausging, gab es eine Reihe von Versuchen, insektenähnliche Fähigkeiten in rein robotischer Form nachzubilden.

Diese umfassen ein 2019 Forschungsprojekt von UoC, das einen einfachen Roboter auf der Basis der Prinzipien einer Kakerlake anbot, eines der ersten Projekte seiner Art, das die extreme Zerbrechlichkeit von Roboterinsekten ansprach.