Seekor Kecoak dengan Peralatan Pencarian dan Penyelamatan yang Diaktifkan AI

Peneliti robotika internasional telah mengembangkan sistem Pencarian dan Penyelamatan Kota (USAR) yang menggunakan kecoak hidup yang dapat diarahkan untuk mengangkut sistem deteksi penyintas yang diaktifkan oleh mesin pembelajaran infrared miniaturisasi melalui skenario bencana yang tidak dapat dijangkau.

Sistem ini adalah kolaborasi antara departemen penelitian di Singapura, Cina, Jerman, dan Inggris. Ini menggunakan kecoak Madagascar sebagai kendaraan, dan memiliki daya yang cukup untuk berjalan selama beberapa jam.

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

Sistem penyelamatan hibrida ini memiliki model pengenalan manusia yang menggunakan mesin pembelajaran yang dilatih pada gambar infrared (IR), dan mengaktifkan sistem deteksi IR mobile, yang dapat beroperasi secara otonom jika perlu, melaporkan penyintas yang ditemukan kembali ke stasiun operasi dasar.

Sumber Daya Lokal Terbatas

Kerangka kerja mesin pembelajaran ini memerlukan untuk beroperasi pada sumber daya yang sangat tipis: hanya 191,8kB RAM statis dan 1988kB memori Flash yang tersisa untuk sistem dari persyaratan daya umum untuk perangkat, yang juga harus menyediakan stimulus listrik untuk serangga.

Tiga blok fungsional dari backpack kecoak, seperti yang terlihat di atas, termasuk stimulasi nirkabel, unit kontrol utama, dan komponen periferal, dengan sistem mesin pembelajaran IR dan fungsionalitas navigasi yang tertanam dalam unit kontrol utama. Sirkuit rig telah dibagi menjadi beberapa komponen untuk lebih baik sesuai dengan geometri kecoak.

Kecoak Madagascar (di antara spesies terbesar di dunia, dengan kapasitas beban maksimum 15g) dikendalikan oleh kejutan listrik kecil yang mengarahkannya ke satu arah atau lain, dilaksanakan oleh empat elektroda yang dipasang ke antena (cerci) dan perut serangga. Elektroda tersebut diamankan dengan lilin lebah.

Menambahkan AI ke Pencarian dan Penyelamatan Serangga

Inisiatif baru ini mengembangkan pekerjaan sebelumnya dari UC Berkeley dan Universitas Teknologi Nanyang Singapura, yang pertama kali memikirkan menggunakan kumbang yang dapat diarahkan dalam skenario USAR.

2016 penelitian tentang mengendalikan jalur penerbangan kumbang. Sumber: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

Walaupun kumbang memiliki kemampuan tambahan penerbangan, kapasitas beban mereka berkurang, menurunkan kemampuan teknologi onboard, dan membawa tuntutan konsumsi daya ke tingkat kritis, terutama dalam kasus di mana perlu menjalankan algoritma mesin pembelajaran.

Sistem pengenalan manusia otonom onboard pada inisiatif baru ini menggunakan model klasifikasi gambar yang menggunakan mesin vektor pendukung (SVM) dan Histogram of Oriented Gradients.

Gerakan kecoak diarahkan oleh sistem navigasi yang terintegrasi, dan membimbing ‘biobot’ ke tujuan yang telah ditentukan tanpa pengetahuan tentang hambatan yang menghalangi. Sebagian besar, kemampuan navigasi kecoak yang luar biasa memecahkan sebagian besar masalah dalam mencapai lokasi yang tidak dapat dijangkau.

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

Sistem infrared onboard menangkap gambar pada 1hz, beroperasi dengan sukses di area gelap, dan melaporkan secara nirkabel penyintas yang ditemukan ke pusat komando dalam waktu nyata. Untuk menghemat energi, sistem analisis gambar hanya mulai beroperasi jika dipicu oleh pembacaan infrared positif.

Model ini hanya memerlukan 18,3kB memori Flash dan 52,2kB RAM statis, mencapai waktu komputasi 95 milidetik. Waktu pemrosesan yang wajar sangat penting dalam skenario USAR, karena tanda infrared yang jauh dapat diabaikan dalam interval pemrosesan ketika kecoak berubah arah dan menavigasi medan.

Sistem ini juga memiliki sensor untuk memantau suhu, kelembaban, dan CO2, untuk melaporkan kondisi lokal untuk upaya penyelamatan yang mungkin, dan untuk memungkinkan pusat komando mengarahkan serangga menjauh dari situasi yang dapat membahayakannya.

Pengujian di Medan Simulasi

Sistem ini diuji dalam skenario bencana simulasi (gambar di atas), dengan negosiasi hambatan yang efektif, kecuali dalam beberapa konfigurasi yang sangat menantang yang melibatkan pendakian curam, karena kecoak memiliki kelemahan berat karena peralatan yang dipasang.

Sistem navigasi awalnya memiliki kecenderungan untuk terjebak pada hambatan yang luar biasa, seperti situasi di mana bahkan kecoak tidak dapat melanjutkan, dan peneliti kemudian mengembangkan sistem navigasi umpan balik prediktif untuk meningkatkan kinerja dalam menghadapi hambatan yang tinggi. Sistem ini dapat mencapai tingkat keberhasilan 100% dalam lingkungan dengan hambatan yang tidak ada atau rendah, dan tingkat keberhasilan yang lebih tinggi dengan hambatan yang tinggi.

Di mana kegagalan terjadi, peneliti menyimpulkan bahwa ini dapat diatasi dengan meningkatkan durasi eksperimen, walaupun ini secara logis memiliki implikasi dalam skenario USAR yang sangat kritis waktu.

Tampilan Inframerah

Kamera infrared onboard memiliki spesifikasi yang sederhana, beroperasi pada 32×32 piksel dengan sudut pandang 90 derajat. Gambar, ketika dipicu, dilewatkan melalui filter denoising median.

Sistem ini mencapai tingkat keberhasilan 87% dalam membedakan subjek manusia dari jenis tanda tangan termal lainnya, meningkat menjadi 90% ketika dalam radius proximitas 0,5m dan 1,5m.

Karena keterbatasan energi dan ukuran chip, studi awal ini tidak memiliki sistem lokalasi onboard, dan tidak mungkin untuk melacak posisi kecoak dalam waktu nyata. Peneliti menyarankan bahwa penghitungan mati dapat diimplementasikan sebagai solusi penghematan daya, dengan sinyal lokasi rendah energi yang dikirim kembali ke pusat komando, dalam implementasi masa depan.

Serangga sebagai Operator Pencarian dan Penyelamatan

Sepuluh tahun terakhir telah membawa sejumlah proyek penelitian yang bertujuan untuk memanfaatkan ketahanan dan kemampuan navigasi serangga untuk menciptakan sistem robotik hibrida atau murni untuk skenario pencarian dan penyelamatan. Selain pekerjaan terkait kumbang pada tahun 2016 yang mendahului inisiatif ini, telah ada beberapa upaya untuk merekayasa kembali kemampuan serangga dalam bentuk robotik murni.

Ini termasuk proyek penelitian 2019 dari UoC yang menawarkan robot sederhana yang ergonomis berdasarkan prinsip kecoak, salah satu proyek pertama dari jenis ini untuk mengatasi kerapuhan ekstrem serangga robotik.