Un cafard avec un équipement de recherche et de sauvetage à base d’IA

Des chercheurs internationaux en robotique ont développé un système de recherche et de sauvetage urbain (USAR) qui utilise un cafard « dirigeable » pour transporter un système de détection de survivants à base d’apprentissage automatique et d’infrarouge miniaturisé à travers des scénarios de désastre autrement impraticables.

Le système est une collaboration entre les départements de recherche de Singapour, de Chine, d’Allemagne et du Royaume-Uni. Il utilise le cafard de Madagascar comme véhicule et dispose d’une autonomie de plusieurs heures.

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

Le système de sauvetage hybride comporte un modèle d’apprentissage automatique pour la détection humaine qui a été formé sur des images infrarouges (IR) et alimente le système de détection IR mobile, qui peut fonctionner de manière autonome si nécessaire, en signalant les survivants retrouvés à une station de commande de base.

Ressources locales limitées

Le cadre d’apprentissage automatique est requis pour fonctionner avec des ressources extrêmement maigres: seuls 191,8 ko de RAM statique et 1988 ko de mémoire Flash sont laissés pour le système à partir des exigences générales de puissance pour l’appareil, qui doit également fournir le stimulus électrique pour l’insecte.

Les trois blocs fonctionnels du sac à dos du cafard, représentés ci-dessus, comprennent la stimulation sans fil, une unité de contrôle principale et des composants périphériques, avec le système d’apprentissage automatique IR et la fonctionnalité de navigation intégrés dans l’unité de contrôle principale. Le circuit de la selle a été divisé en plusieurs composants pour mieux s’adapter à la géométrie du cafard.

Le cafard de Madagascar (parmi les plus grandes espèces du monde, avec une capacité de charge maximale de 15 g) est contrôlé par de petites secousses électriques qui le dirigent dans une direction ou une autre, mises en œuvre par quatre électrodes implantées dans les antennes (cerci) et dans l’abdomen de la créature. Les électrodes sont fixées avec de la cire d’abeille.

Ajout de l’IA à la recherche et au sauvetage d’insectes

La nouvelle initiative développe les travaux antérieurs de l’UC Berkeley et de l’Université technologique de Nanyang à Singapour, qui ont conçu pour la première fois l’utilisation de scarabées dirigeables dans les scénarios de recherche et de sauvetage.

2016 recherche sur le contrôle du vol d’un scarabée. Source: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

Bien que les scarabées aient la capacité de voler, leur capacité de charge est réduite, ce qui diminue les capacités potentielles des technologies embarquées, et les exigences de consommation d’énergie sont critiques, en particulier dans les cas où il est nécessaire de faire fonctionner un algorithme d’apprentissage automatique.

Le système de reconnaissance humaine autonome à bord utilise un modèle de classification d’images utilisant une machine à vecteurs de support (SVM) et un histogramme de gradients orientés.

Le mouvement du cafard est dirigé par le système de navigation intégré et guide le « biobot » vers une destination prédéterminée sans aucune connaissance des obstacles intermédiaires. Pour la plupart, les compétences de navigation formidables du cafard résolvent la plupart des problèmes pour atteindre un emplacement autrement inaccessible.

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

Le système infrarouge à bord capte des images à 1 Hz, fonctionnant avec succès dans les zones sombres, et signale sans fil les survivants localisés à un centre de commandement en temps réel. Pour conserver l’énergie, le système d’analyse d’images ne fonctionne que si déclenché par une lecture infrarouge positive.

Le modèle occupe un espace de 18,3 ko de mémoire Flash et de 52,2 ko de RAM statique, réalisant un temps de calcul de 95 millisecondes. Un temps de traitement raisonnable est essentiel dans un scénario de recherche et de sauvetage, car des signatures infrarouges distantes pourraient sinon être manquées dans l’intervalle de traitement lorsque le cafard change de direction et traverse le terrain.

Le système comporte également des capteurs pour surveiller la température, l’humidité et le CO2, afin de signaler les conditions locales pour une éventuelle tentative de sauvetage et de permettre au centre de commandement de diriger la créature loin de toute situation qui pourrait la mettre en danger.

Test dans des terrains simulés

Le système a été testé dans un scénario de désastre simulé (image ci-dessus), avec une négociation d’obstacles efficace, à l’exception de certaines configurations particulièrement difficiles impliquant des escalades vertigineuses, car le cafard est en désavantage en termes de poids en raison de l’équipement attaché.

Le système de navigation initiale avait tendance à se bloquer face à des obstacles accablants, tels que des situations où même le cafard ne pouvait pas aller plus loin, et les chercheurs ont ensuite développé un système de navigation à rétroaction prédictive pour améliorer les performances face à des obstacles importants. Le système a pu atteindre un taux de réussite de 100 % dans les environnements sans obstacles ou avec des obstacles faibles, et un taux de réussite plus élevé avec des obstacles importants.

Lorsque l’échec s’est produit, les chercheurs concluent que cela pourrait être remédié en augmentant la durée de l’expérience, bien que cela ait des implications logiques dans un scénario de recherche et de sauvetage critique en termes de temps.

Vue infrarouge

La caméra infrarouge à bord a des spécifications modestes, fonctionnant à 32×32 pixels avec un champ de vision de 90 degrés. Les images, lorsqu’elles sont déclenchées, sont passées à travers un filtre de débruitage médian.

Le système atteint un taux de réussite de 87 % pour distinguer les sujets humains d’autres types de signatures thermiques, montant à 90 % lorsqu’il se trouve dans un rayon de proximité de 0,5 m et 1,5 m.

En raison des contraintes d’énergie et de taille de puce, l’étude initiale ne comporte pas de système de localisation à bord, et il n’est donc pas possible de suivre la position du cafard en temps réel. Les chercheurs suggèrent que la détermination de la position pourrait être mise en œuvre comme une solution d’économie d’énergie, avec des signaux de localisation à basse énergie transmis au centre de commandement, dans les futures mises en œuvre.

Les insectes en tant qu’opérateurs de recherche et de sauvetage

Les dix dernières années ont vu une série de projets de recherche visant à utiliser la résilience et la puissance de navigation des insectes pour créer des systèmes hybrides ou purement robotiques pour la recherche et le sauvetage. Outre le travail lié aux scarabées de 2016 qui précède cette initiative, il y a eu de nombreuses tentatives pour recréer les capacités d’insectes sous forme robotique pure.

Ces tentatives incluent un projet de recherche de 2019 de l’UoC qui a proposé un robot simple sur le plan ergonomique basé sur les principes d’un cafard, l’un des premiers projets de ce type à aborder la fragilité extrême des insectes robotiques.