Um Barata com Equipamento de Busca e Resgate com IA

Pesquisadores internacionais de robótica desenvolveram um sistema de Busca e Resgate Urbano (USAR) que utiliza uma barata “dirigível” para transportar um sistema de detecção de sobreviventes miniaturizado e habilitado por aprendizado de máquina por infravermelho através de cenários de desastre de outra forma intransponíveis.

O sistema é uma colaboração entre departamentos de pesquisa em Singapura, China, Alemanha e Reino Unido. Ele utiliza a barata de Madagascar como veículo e tem energia suficiente para funcionar por várias horas.

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

O sistema de resgate híbrido apresenta um modelo de aprendizado de máquina para detecção humana que foi treinado em imagens por infravermelho (IR) e alimenta o sistema de detecção por IR móvel, que pode operar de forma autônoma conforme necessário, relatando sobreviventes encontrados de volta a uma estação de operação base.

Recursos Locais Limitados

A estrutura de aprendizado de máquina é necessária para operar em recursos extraordinariamente magros: apenas 191,8kB de RAM estática e 1988kB de memória Flash estão disponíveis para o sistema a partir dos requisitos gerais de energia do dispositivo, que também devem fornecer o estímulo elétrico para o inseto.

Os três blocos funcionais da mochila da barata, mostrados acima, incluem estímulo sem fio, uma unidade de controle primária e componentes periféricos, com o sistema de aprendizado de máquina derivado de IR e a funcionalidade de navegação incorporada à unidade de controle primária. O circuito da estrutura foi dividido em vários componentes para se ajustar melhor à geometria da barata.

A barata de Madagascar (entre as maiores espécies do mundo, com uma capacidade de carga máxima de 15g) é controlada por pequenos choques elétricos que a direcionam em uma direção ou outra, implementados por quatro eletrodos implantados nos antennae (cerci) da criatura e em seu abdômen. Os eletrodos são fixados com cera de abelha.

Adicionando IA à Busca e Resgate de Insetos

A nova iniciativa desenvolve trabalhos anteriores da UC Berkeley e da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Singapura, que primeiro concebeu o uso de besouros direcionáveis em cenários de USAR.

Pesquisa de 2016 sobre o controle do voo de um besouro. Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8

Embora os besouros tenham a capacidade adicional de voo, sua capacidade de carga é subsequentemente reduzida, diminuindo as capacidades potenciais das tecnologias embarcadas e trazendo demandas de consumo de energia a um nível crítico, particularmente em um caso em que é necessário executar um algoritmo de aprendizado de máquina.

O sistema de reconhecimento humano autônomo a bordo da nova iniciativa utiliza um modelo de classificação de imagens que utiliza máquina de vetores de suporte (SVM) e Histograma de Gradientes Orientados.

O movimento da barata é direcionado pelo sistema de navegação integrado e guia o ‘biobot’ para um destino predeterminado sem conhecimento dos obstáculos intervenientes. Na maioria das vezes, as habilidades de navegação formidáveis da própria barata resolvem a maioria dos problemas em chegar a um local de outra forma inacessível.

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

O sistema de infravermelho a bordo captura imagens a 1hz, operando com sucesso em áreas escuras e relatando sem fio qualquer sobrevivente localizado para um centro de comando em tempo real. Para conservar energia, o sistema de análise de imagens só começa a operar se acionado por uma leitura por infravermelho positiva.

O modelo ocupa apenas 18,3kB de memória Flash e 52,2kB de RAM estática, alcançando um tempo de processamento de 95 milissegundos. O tempo de processamento razoável é essencial em um cenário de USAR, desde que assinaturas por infravermelho distantes poderiam ser perdidas no intervalo de processamento à medida que a barata muda de direção e atravessa o terreno.

O sistema também apresenta sensores para monitorar temperatura, umidade e CO2, a fim de relatar condições locais para uma possível tentativa de resgate e permitir que o centro de controle direcione a criatura para longe de qualquer situação que a colocaria em perigo.

Testando em Terrenos Simulados

O sistema foi testado em um cenário de desastre simulado (imagem acima), com negociação eficaz de obstáculos, exceto em certas configurações particularmente desafiadoras que envolvem subidas íngremes, desde que a barata está em desvantagem de peso devido ao equipamento anexado.

O sistema de navegação inicialmente tinha uma tendência a ficar preso em obstáculos esmagadores, como situações em que mesmo a barata não poderia prosseguir, e os pesquisadores subsequentemente desenvolveram um sistema de navegação de feedback preditivo para melhorar o desempenho diante de obstáculos altos. O sistema foi capaz de alcançar uma taxa de sucesso de 100% em ambientes com obstáculos nulos ou baixos e uma taxa de sucesso mais alta com obstáculos altos.

Onde a falha ocorreu, os pesquisadores concluem que isso poderia ser remediado aumentando a duração do experimento, embora isso tenha implicações em um cenário de USAR crítico em termos de tempo.

Visão por Infravermelho

A câmera de infravermelho a bordo tem especificações modestas, operando a 32×32 pixels com um campo de visão de 90 graus. As imagens, quando acionadas, são passadas por um filtro de ruído de mediana.

O sistema alcança uma taxa de sucesso de 87% em distinguir assinaturas térmicas humanas de outros tipos de assinatura térmica, subindo para 90% quando em um raio de proximidade de 0,5m e 1,5m.

Devido a restrições de energia e tamanho do chip, o estudo inicial não apresenta um sistema de localização a bordo e, portanto, não é possível rastrear a posição da barata em tempo real. Os pesquisadores sugerem que a navegação por estimativa poderia ser implementada como uma solução de economia de energia, com sinais de localização de baixa energia transmitidos de volta para o centro de controle, em implementações futuras.

Insetos como Operadores de Busca e Resgate

Os últimos dez anos trouxeram uma série de projetos de pesquisa que buscam utilizar a resistência e o poder de navegação dos insetos para criar sistemas híbridos ou robóticos puros para cenários de busca e resgate. Além do trabalho relacionado ao besouro de 2016 que precede essa iniciativa, houve uma série de tentativas de recriar capacidades insetoides em forma robótica pura.

Isso inclui um projeto de pesquisa de 2019 da UoC que ofereceu um robô simples e ergonômico baseado nos princípios de uma barata, um dos primeiros projetos de seu tipo a abordar a extrema fragilidade dos insetos robóticos.