Ένα Κατσαριδάκι Με Εξοπλισμό Έρευνας και Διάσωσης Ενισχυμένο από το AI

Διεθνείς ερευνητές ρομποτικής έχουν αναπτύξει ένα σύστημα Έρευνας και Διάσωσης σε Αστικές Περιοχές (USAR) που χρησιμοποιεί ένα “διευθυνόμενο” ζωντανο κατσαριδάκι για τη μεταφορά ενός μικρομεσαίου συστήματος ανίχνευσης επιζώντων με ενισχυμένο από το AI σύστημα εύρεσης επιζώντων μέσω αδιαπέραστων καταστροφικών σεναρίων.

Το σύστημα είναι μια συνεργασία μεταξύ ερευνητικών τμημάτων στη Σιγκαπούρη, την Κίνα, τη Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Χρησιμοποιεί το κατσαριδάκι της Μαδαγασκάρης ως όχημα και έχει αρκετή ενέργεια για να λειτουργήσει για plusieurs ώρες.

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

Το υβριδικό σύστημα διάσωσης διαθέτει ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης για ανίχνευση ανθρώπων που έχει εκπαιδευτεί σε εικόνες υπέρυθρης ακτινοβολίας και τροφοδοτεί το αυτόνομο σύστημα ανίχνευσης υπέρυθρης ακτινοβολίας, το οποίο μπορεί να λειτουργήσει αυτόνομα ανάλογα με την ανάγκη, αναφέροντας τους επιζώντες που βρέθηκαν πίσω σε một σταθμό λειτουργίας βάσης.

Περιορισμένοι Τοπικοί Πόροι

Το πλαίσιο μηχανικής μάθησης απαιτείται να λειτουργήσει με εξαιρετικά λιμούς πόρους: μόνο 191,8kB στατικού RAM και 1988kB μνήμης Flash έχουν μείνει για το σύστημα από τις γενικές απαιτήσεις ενέργειας της συσκευής, η οποία πρέπει επίσης να παρέχει τον ηλεκτρικό ερέθισμα για το έντομο.

Οι τρεις λειτουργικές μπλοκ του σακουλαίου του κατσαριδακιού, που απεικονίζονται παραπάνω, περιλαμβάνουν ασύρματη διέγερση, μια μονάδα ελέγχου και περιφερειακά στοιχεία, με το σύστημα ανίχνευσης υπέρυθρης ακτινοβολίας και τη λειτουργία πλοήγησης ενσωματωμένα στη μονάδα ελέγχου. Το κύκλωμα της συσκευής έχει χωριστεί σε πολλά στοιχεία για να ταιριάζει καλύτερα στη γεωμετρία του κατσαριδακιού.

Το κατσαριδάκι της Μαδαγασκάρης (μεταξύ των μεγαλύτερων ειδών στον κόσμο, με μέγιστη χωρητικότητα φόρτωσης 15γ) ελέγχεται από μικρές ηλεκτρικές σοκ που το οδηγούν σε μια κατεύθυνση ή άλλη, που εφαρμόζονται από τέσσερις ηλεκτρόδια που έχουν εμφυτευθεί στα αντένια (κέρκια) και στη κοιλιά του. Τα ηλεκτρόδια είναι στερεωμένα με κερί μελισσών.

Προσθήκη AI στην Έρευνα και Διάσωση Εντόμων

Η νέα πρωτοβουλία αναπτύσσει προηγούμενη εργασία από το UC Berkeley και το Nanyang Technological University της Σιγκαπούρης, η οποία πρώτα σκέφτηκε τη χρήση διευθυνόμενων μελισσών σε σεναριά USAR.

2016 έρευνα για τον έλεγχο της πτήσης μιας μελίσσας. Πηγή: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

Αν και οι μελίσσες έχουν την πρόσθετη ικανότητα της πτήσης, η χωρητικότητα φόρτωσής τους μειώνεται αντίστοιχα, μειώνοντας τις πιθανές ικανότητες των ενσωματωμένων τεχνολογιών, και φέρνοντας τις απαιτήσεις κατανάλωσης ενέργειας σε ένα κρίσιμο επίπεδο, ιδιαίτερα σε μια περίπτωση όπου είναι απαραίτητο να τρέξει ένα αλγόριθμο μηχανικής μάθησης.

Το αυτόνομο σύστημα αναγνώρισης ανθρώπων στο νέο πρόγραμμα χρησιμοποιεί ένα μοντέλο ταξινόμησης εικόνων που χρησιμοποιεί μηχανές υποστήριξης διανυσμάτων (SVM) και Ιστογράμματα Προσανατολισμένων Gradient.

Η κίνηση του κατσαριδακιού κατευθύνεται από το ενσωματωμένο σύστημα πλοήγησης και οδηγεί το “βιο-ρομπότ” σε einen προκαθορισμένο προορισμό χωρίς καμία γνώση των εμποδίων που παρεμβάλλουν. Για το μεγαλύτερο μέρος, οι ιδιαίτερες ικανότητες πλοήγησης του κατσαριδακιού λύνουν τα περισσότερα από τα προβλήματα που σχετίζονται με την άφιξη σε μια αλλιώς απρόσιτη τοποθεσία.

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

Το σύστημα ανίχνευσης υπέρυθρης ακτινοβολίας στο σκάφος καταγράφει εικόνες με 1Hz, λειτουργώντας επιτυχώς σε σκοτεινές περιοχές, και αναφέρει ασύρματα τους επιζώντες που βρέθηκαν σε ένα κέντρο διοίκησης σε πραγματικό χρόνο. Για να εξοικονομήσει ενέργεια, το σύστημα ανάλυσης εικόνων αρχίζει να λειτουργεί μόνο εάν ενεργοποιηθεί από μια θετική ανάγνωση υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Το μοντέλο καταλαμβάνει μόλις 18,3kB μνήμης Flash και 52,2kB στατικού RAM, επιτυγχάνοντας χρόνο υπολογισμού 95 χιλιοστοδευτερόλεπτα. Ο εύλογος χρόνος επεξεργασίας είναι απαραίτητος σε ένα σεναρίο USAR, поскольку μακρινές υπογραφές υπέρυθρης ακτινοβολίας θα μπορούσαν να χαθούν στο διάστημα επεξεργασίας καθώς το κατσαριδάκι αλλάζει κατεύθυνση και διασχίζει το έδαφος.

Το σύστημα διαθέτει επίσης αισθητήρες για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας, της υγρασίας και του CO2, για να αναφέρει τις τοπικές συνθήκες για μια πιθανή απόπειρα διάσωσης, και να επιτρέψει στο κέντρο διοίκησης να οδηγήσει το ζώο μακριά από οποιαδήποτε κατάσταση που θα το επέβαλε σε κίνδυνο.

Δοκιμές σε Προσομοιωμένα Εδάφη

Το σύστημα δοκιμάστηκε σε ένα προσομοιωμένο σεναρίο καταστροφής (εικόνα παραπάνω), με αποτελεσματική διαπραγμάτευση εμποδίων, εκτός από ορισμένες ιδιαίτερα απαιτητικές διαμορφώσεις που περιλαμβάνουν κατακόρυφες αναρρίχηση, поскольку το κατσαριδάκι είναι σε μειονεκτική θέση λόγω του συνδεδεμένου εξοπλισμού.

Η αρχιτεκτονική πλοήγησης αρχικά είχε την τάση να κολλήσει σε υπερβολικά εμπόδια, όπως σε καταστάσεις όπου ακόμη και το κατσαριδάκι δεν μπορούσε να προχωρήσει περαιτέρω, και οι ερευνητές ανέπτυξαν στη συνέχεια ένα προβλεπτικό σύστημα πλοήγησης με ανάδραση για να βελτιώσουν την απόδοση αντιμετωπίζοντας ψηλά εμπόδια. Το σύστημα κατάφερε να επιτύχει ποσοστό επιτυχίας 100% σε περιβάλλοντα με κανένα ή χαμηλά εμπόδια, και υψηλότερο ποσοστό επιτυχίας με ψηλά εμπόδια.

Όπου συνέβη αποτυχία, οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι αυτό θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί αυξάνοντας τη διάρκεια του πειράματος, αν και αυτό έχει επιπτώσεις σε ένα χρονικά κρίσιμο σεναρίο USAR.

Προβολή Υπέρυθρης Ακτινοβολίας

Η κάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας στο σκάφος έχει μετρίες προδιαγραφές, λειτουργώντας σε 32×32 εικονοστοιχεία με πεδίο όρασης 90 μοιρών. Οι εικόνες, όταν ενεργοποιηθούν, περνάνε από ένα φίλτρο μεσολάβιας αποσύνδεσης.

Το σύστημα επιτυγχάνει ποσοστό επιτυχίας 87% στην αναγνώριση ανθρώπινων υποκειμένων από άλλους τύπους θερμικών υπογραφών, φθάνοντας στο 90% όταν σε ακτίνα 0,5μ και 1,5μ.

Λόγω περιορισμών ενέργειας και μεγέθους chíπ, η αρχική μελέτη δεν περιλαμβάνει ένα σύστημα τοποθεσίας στο σκάφος, και έτσι δεν είναι δυνατό να παρακολουθείται η θέση του κατσαριδακιού σε πραγματικό χρόνο. Οι ερευνητές προτείνουν ότι η αναγνώριση νεκρής πλοήγησης θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως μια λύση εξοικονόμησης ενέργειας, με σήματα τοποθεσίας χαμηλής ενέργειας που αναμεταδίδονται πίσω στο κέντρο διοίκησης, σε μελλοντικές εφαρμογές.

Έντομα ως Οперάτορες Έρευνας και Διάσωσης

Τα τελευταία δέκα χρόνια έχουν φέρει μια σειρά ερευνητικών έργων που επιδιώκουν να αξιοποιήσουν την αντοχή και την πλοηγή των εντόμων για τη δημιουργία υβριδικών ή καθαρώς ρομποτικών συστημάτων για σεναριά έρευνας και διάσωσης. Εκτός από το έργο μελισσών του 2016 που προηγήθηκε αυτής της τελευταίας πρωτοβουλίας, υπάρχουν πολλές προσπάθειες για την αναδημιουργία ικανοτήτων εντόμων σε καθαρώς ρομποτική μορφή.

Αυτά περιλαμβάνουν ένα έργο έρευνας του 2019 από το UoC που πρόσφερε ένα εргονομικά απλό ρομπότ που βασίζεται στις αρχές ενός κατσαριδακιού, ένα από τα πρώτα έργα του είδους που αντιμετωπίζει την ακραία εύθραυστοτητα των ρομποτικών εντόμων.