Robotica
Uno scarafaggio con attrezzatura di ricerca e salvataggio abilitata all'intelligenza artificiale
Ricercatori internazionali di robotica hanno sviluppato un sistema USAR (Urban Search And Rescue) che utilizza uno scarafaggio vivo “orientabile” per trasportare un sistema miniaturizzato di rilevamento dei sopravvissuti a infrarossi abilitato all’apprendimento automatico attraverso scenari disastri altrimenti non navigabili.
I sistema è una collaborazione tra i dipartimenti di ricerca di Singapore, Cina, Germania e Regno Unito. Utilizza il Scarafaggio del Madagascar come veicolo e ha abbastanza potenza per funzionare per diverse ore.
Fonte: https://arxiv.org/abs/2105.10869
Il sistema di soccorso ibrido presenta un modello di apprendimento automatico per il rilevamento umano che è stato addestrato su immagini a infrarossi (IR) e alimenta il sistema di rilevamento IR mobile, che può funzionare autonomamente se necessario, riportando i sopravvissuti trovati a una stazione operativa di base.
Risorse locali limitate
Il framework di machine learning è richiesto per operare su risorse straordinariamente ridotte: al sistema rimangono solo 191.8kB di RAM statica e 1988kB di memoria Flash dai requisiti generali di alimentazione del dispositivo, che deve fornire anche lo stimolo elettrico per l'insetto.
I tre blocchi funzionali dello zaino dello scarafaggio, nella foto sopra, includono la stimolazione wireless, un'unità di controllo principale e componenti periferici, con il sistema di apprendimento automatico derivato da IR e la funzionalità di navigazione incorporata nell'unità di controllo principale. Il circuito del rig è stato suddiviso in più componenti per adattarsi meglio alla geometria dello scarafaggio.
La blatta del Madagascar (tra le specie più grandi nel mondo, con una capacità di carico massima di 15g) è controllato da piccole scosse elettriche che lo guidano in una direzione o nell'altra, attuate da quattro elettrodi impiantati nelle antenne della creatura (cerci), e nel suo addome. Gli elettrodi sono fissati con cera d'api.
Aggiunta dell'intelligenza artificiale alla ricerca e al salvataggio degli insetti
La nuova iniziativa sviluppa il lavoro precedente della UC Berkeley e della Nanyang Technological University di Singapore, che per prima ha ideato utilizzando coleotteri orientabili negli scenari USAR.
Ricerca del 2016 sul controllo della traiettoria di volo di un coleottero. Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8
Sebbene i coleotteri abbiano la capacità aggiuntiva di volare, la loro capacità di carico viene successivamente ridotta, abbassando le potenziali capacità delle tecnologie di bordo e portando le richieste di consumo energetico a un livello critico, in particolare nel caso in cui sia necessario eseguire un algoritmo di apprendimento automatico.
Il sistema di riconoscimento umano autonomo a bordo nella nuova iniziativa utilizza un modello di classificazione delle immagini che utilizza supporto macchina vettoriale (SVM) e Istogramma delle sfumature orientate.
Il movimento dello scarafaggio è diretto dal sistema di navigazione integrato e guida il "biobot" verso una destinazione predeterminata senza alcuna conoscenza degli ostacoli intermedi. Per la maggior parte, le formidabili capacità di navigazione dello scarafaggio risolvono la maggior parte dei problemi nell'arrivare in un luogo altrimenti irraggiungibile.
Fonte: https://arxiv.org/abs/2105.10869
Il sistema a infrarossi di bordo acquisisce immagini a 1 hz, operando con successo in aree buie e segnalando in modalità wireless qualsiasi sopravvissuto individuato a un centro di comando in tempo reale. Per risparmiare energia, il sistema di analisi dell'immagine inizia a funzionare solo se attivato da una lettura a infrarossi positiva.
Il modello occupa solo 18.3 kB di memoria Flash e 52.2 kB di RAM statica, raggiungendo un tempo di calcolo di 95 millisecondi. Un tempo di elaborazione ragionevole è essenziale in uno scenario USAR, poiché altrimenti le firme a infrarossi distanti potrebbero essere perse nell'intervallo di elaborazione quando lo scarafaggio cambia direzione e attraversa il terreno.
Il sistema dispone anche di sensori per monitorare temperatura, umidità e CO2, al fine di segnalare le condizioni locali per un possibile tentativo di salvataggio e per consentire al centro di controllo di allontanare la creatura da qualsiasi situazione che potrebbe metterla in pericolo.
Test in terreni simulati
Il sistema è stato testato in uno scenario di disastro simulato (immagine sopra), con un'efficace negoziazione degli ostacoli, tranne in alcune configurazioni particolarmente impegnative che comportano salite vertiginose, poiché lo scarafaggio è in svantaggio di peso a causa dell'attrezzatura collegata.
L'architettura di navigazione inizialmente aveva la tendenza a rimanere bloccata davanti a ostacoli schiaccianti, come situazioni in cui anche lo scarafaggio non poteva procedere oltre, e successivamente i ricercatori hanno sviluppato un sistema di navigazione con feedback predittivo per migliorare le prestazioni di fronte a ostacoli alti. Il sistema è stato in grado di raggiungere una percentuale di successo del 100% in ambienti con ostacoli bassi o assenti e una percentuale di successo più elevata con ostacoli alti.
Laddove si è verificato un errore, i ricercatori concludono che ciò potrebbe essere risolto aumentando la durata dell'esperimento, sebbene ciò abbia logicamente implicazioni in uno scenario USAR critico in termini di tempo.
Vista a infrarossi
La telecamera a infrarossi integrata ha specifiche modeste, funziona a 32 × 32 pixel con un campo visivo di 90 gradi. Le immagini, quando attivate, vengono fatte passare attraverso un filtro di denoising mediano.
Il sistema raggiunge una percentuale di successo dell'87% nel distinguere i soggetti umani da altri tipi di firma termica, salendo al 90% quando si trova in un raggio di prossimità di 0.5 me 1.5 m.
A causa dei vincoli energetici e delle dimensioni del chip, lo studio iniziale non prevede un sistema di localizzazione a bordo, e quindi non è possibile tracciare la posizione dello scarafaggio in tempo reale. I ricercatori suggeriscono che la resa dei conti potrebbe essere implementata come soluzione di risparmio energetico, con segnali di localizzazione a bassa energia ritrasmessi al centro di controllo, in future implementazioni.
Insetti come operatori di ricerca e soccorso
Gli ultimi dieci anni hanno portato una serie di progetti di ricerca che cercano di utilizzare la resilienza e il potere di navigazione degli insetti per creare sistemi robotici ibridi o puri per scenari di ricerca e salvataggio. Oltre al lavoro relativo al coleottero del 2016 che precede quest'ultima iniziativa, ci sono stati numerosi tentativi di ricreare le capacità degli insettoidi in forma puramente robotica.
Questi includono a Progetto di ricerca 2019 dell'UoC che proponeva un robot ergonomicamente semplice basato sui principi di uno scarafaggio, uno dei primi progetti di questo tipo per affrontare l'estrema fragilità degli insetti robotici.
