Un cucaracha con equipo de búsqueda y rescate con inteligencia artificial

Investigadores internacionales de robótica han desarrollado un sistema de Búsqueda y Rescate Urbano (USAR) que utiliza una cucaracha “dirigible” viva para transportar un sistema de detección de supervivientes con inteligencia artificial y visión infrarroja miniaturizada a través de escenarios de desastre inaccesibles de otra manera.

El sistema es una colaboración entre departamentos de investigación en Singapur, China, Alemania y el Reino Unido. Utiliza la cucaracha de Madagascar como vehículo y tiene suficiente energía para funcionar durante varias horas.

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

El sistema de rescate híbrido cuenta con un modelo de aprendizaje automático para la detección de humanos que se entrenó con imágenes infrarrojas (IR) y alimenta el sistema de detección de IR móvil, que puede funcionar de forma autónoma según sea necesario, informando a la estación de operaciones base sobre los supervivientes encontrados.

Recursos locales limitados

El marco de aprendizaje automático requiere operar con recursos extraordinariamente delgados: solo 191,8 kB de RAM estática y 1988 kB de memoria Flash están disponibles para el sistema a partir de los requisitos generales de energía para el dispositivo, que también debe proporcionar el estímulo eléctrico para el insecto.

Los tres bloques funcionales de la mochila de la cucaracha, que se muestran arriba, incluyen estimulación inalámbrica, una unidad de control principal y componentes periféricos, con el sistema de aprendizaje automático derivado de IR y la funcionalidad de navegación integrados en la unidad de control principal. El circuito de la estructura se ha dividido en varios componentes para adaptarse mejor a la geometría de la cucaracha.

La cucaracha de Madagascar (entre las especies más grandes del mundo, con una capacidad de carga máxima de 15 g) se controla mediante pequeños choques eléctricos que la dirigen en una dirección u otra, implementados por cuatro electrodos implantados en las antenas (cerci) y en el abdomen del animal. Los electrodos se aseguran con cera de abeja.

Agregar inteligencia artificial a la búsqueda y rescate de insectos

La nueva iniciativa desarrolla un trabajo anterior de la Universidad de California en Berkeley y la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, que concibió por primera vez el uso de escarabajos dirigibles en escenarios de USAR.

Investigación de 2016 sobre el control de la trayectoria de vuelo de un escarabajo. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

Aunque los escarabajos tienen la capacidad adicional de vuelo, su capacidad de carga se reduce en consecuencia, lo que reduce las posibles capacidades de las tecnologías a bordo y aumenta las demandas de consumo de energía a un nivel crítico, particularmente en un caso en el que es necesario ejecutar un algoritmo de aprendizaje automático.

El sistema de reconocimiento de humanos autónomo a bordo utiliza un modelo de clasificación de imágenes que utiliza máquinas de vectores de soporte (SVM) y Histograma de gradientes orientados.

El movimiento de la cucaracha se dirige por el sistema de navegación integrado y guía al ‘biobot’ hacia un destino predeterminado sin conocimiento de los obstáculos intermedios. En su mayoría, las habilidades de navegación formidables de la cucaracha resuelven la mayoría de los problemas para llegar a una ubicación inaccesible de otra manera.

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

El sistema de infrarrojos a bordo capta imágenes a 1 Hz, operando con éxito en áreas oscuras y informando inalámbricamente a un centro de comando sobre cualquier superviviente localizado en tiempo real. Para conservar energía, el sistema de análisis de imágenes solo comienza a funcionar si se dispara por una lectura de infrarrojos positiva.

El modelo ocupa solo 18,3 kB de memoria Flash y 52,2 kB de RAM estática, logrando un tiempo de cálculo de 95 milisegundos. Es esencial un tiempo de procesamiento razonable en un escenario de USAR, ya que las firmas de infrarrojos distantes podrían pasar desapercibidas en el intervalo de procesamiento mientras la cucaracha cambia de dirección y atraviesa el terreno.

El sistema también cuenta con sensores para monitorear la temperatura, la humedad y el CO2, con el fin de informar sobre las condiciones locales para un posible intento de rescate y permitir que el centro de control aleje al animal de cualquier situación que lo ponga en peligro.

Pruebas en terrenos simulados

El sistema se probó en un escenario de desastre simulado (imagen de arriba), con una negociación efectiva de obstáculos, excepto en ciertas configuraciones particularmente desafiantes que involucran subidas vertiginosas, ya que la cucaracha está en desventaja en cuanto a peso debido al equipo adjunto.

La arquitectura de navegación inicial tenía tendencia a quedar atascada en obstáculos abrumadores, como situaciones en las que incluso la cucaracha no podía avanzar, y los investigadores desarrollaron posteriormente un sistema de navegación de retroalimentación predictiva para mejorar el rendimiento frente a obstáculos altos. El sistema logró una tasa de éxito del 100% en entornos con pocos o ningún obstáculo y una tasa de éxito más alta con obstáculos altos.

Donde se produjo un fallo, los investigadores concluyen que esto podría remediarse aumentando la duración del experimento, aunque esto tiene implicaciones en un escenario de USAR crítico en cuanto al tiempo.

Vista infrarroja

La cámara de infrarrojos a bordo tiene especificaciones modestas, operando a 32×32 píxeles con un campo de visión de 90 grados. Las imágenes, cuando se activan, se pasan a través de un filtro de ruido de mediana.

El sistema logra una tasa de éxito del 87% en la distinción de sujetos humanos de otros tipos de firma térmica, aumentando al 90% cuando se encuentra dentro de un radio de proximidad de 0,5 m y 1,5 m.

Debido a las limitaciones de energía y tamaño de chip, el estudio inicial no cuenta con un sistema de localización a bordo, y por lo tanto no es posible rastrear la posición de la cucaracha en tiempo real. Los investigadores sugieren que se podría implementar un seguimiento de posición como una solución de ahorro de energía, con señales de localización de baja energía transmitidas de regreso al centro de control, en implementaciones futuras.

Insectos como operadores de búsqueda y rescate

Los últimos diez años han visto una serie de proyectos de investigación que buscan utilizar la resistencia y el poder de navegación de los insectos para crear sistemas híbridos o puramente robóticos para escenarios de búsqueda y rescate. Además del trabajo relacionado con el escarabajo de 2016 que precede a esta iniciativa, ha habido una serie de intentos de recrear capacidades insectoides en forma puramente robótica.

Estos incluyen un proyecto de investigación de 2019 de UoC que ofreció un robot simple desde el punto de vista ergonómico basado en los principios de una cucaracha, uno de los primeros proyectos de su tipo en abordar la extrema fragilidad de los insectos robóticos.