Avanço na navegação inspirada em formigas permite pequenos robôs autônomos

Motion Design INSIDER
Imagem timelapse de um dos caminhos percorridos pelo robô. (Imagem:Os pesquisadores)
Você já se perguntou como os insetos conseguem ir tão longe de casa e ainda assim encontrar o caminho de casa? A resposta a esta pergunta não é relevante apenas para a biologia, mas também para a criação de IA para robôs minúsculos e autônomos. Os pesquisadores de drones da TU Delft se sentiram inspirados pelas descobertas biológicas sobre como as formigas reconhecem visualmente seu ambiente e combinam isso com a contagem de seus passos para voltar para casa em segurança. Eles usaram esses insights para criar uma estratégia de navegação autônoma para robôs pequenos e leves. A estratégia permite que esses robôs voltem para casa após longas trajetórias, exigindo ao mesmo tempo pouquíssima computação e memória (1,16 kB por 100 m). No futuro, pequenos robôs autónomos poderão encontrar uma vasta gama de utilizações, desde a monitorização de stocks em armazéns até à detecção de fugas de gás em instalações industriais. Os pesquisadores publicaram suas descobertas na Science Robotics , em 17 de julho de 2024.

Robôs minúsculos, de dezenas a algumas centenas de gramas, têm potencial para realizar muitas aplicações interessantes no mundo real. Com seu peso leve, eles são extremamente seguros, mesmo que esbarrem acidentalmente em alguém. Por serem pequenos, podem navegar em áreas estreitas. E se puderem ser fabricados de forma barata, podem ser implantados em grandes números, de modo que possam cobrir rapidamente uma grande área, por exemplo, numa estufa para detecção precoce de pragas ou doenças. No entanto, fazer com que robôs tão pequenos operem sozinhos é difícil, uma vez que eles têm recursos extremamente limitados em comparação com robôs maiores.

Um grande obstáculo para o uso de pequenos robôs é que, para aplicações no mundo real, eles terão que ser capazes de navegar sozinhos com a ajuda de uma infraestrutura externa. Eles poderiam usar estimativas de localização de satélites GPS em ambientes externos ou de beacons de comunicação sem fio em ambientes internos. O GPS só pode ser usado ao ar livre e pode ser altamente impreciso em ambientes desordenados, como desfiladeiros urbanos. E a instalação e manutenção de beacons em espaços interiores é bastante dispendiosa ou simplesmente impossível, por exemplo, em cenários de busca e salvamento.

A IA necessária para a navegação autônoma apenas com recursos a bordo foi desenvolvida pensando em grandes robôs, como carros autônomos. Algumas dessas abordagens dependem de sensores pesados ​​e que consomem muita energia, como o LiDAR, que não podem ser transportados ou alimentados por pequenos robôs. Outras abordagens utilizam sensores de visão, que normalmente tentam criar mapas 3D altamente detalhados do ambiente. No entanto, isso requer grandes quantidades de processamento e memória, que só podem ser fornecidas por computadores grandes demais e que consomem muita energia para robôs minúsculos.

É por isso que alguns pesquisadores recorreram à natureza em busca de inspiração. Os insetos são especialmente interessantes, pois operam a distâncias que poderiam ser relevantes para muitas aplicações do mundo real, ao mesmo tempo que utilizam recursos de detecção e computação muito escassos. Os insetos combinam o acompanhamento de seu próprio movimento (odometria) com comportamentos visualmente guiados com base em seu sistema visual de baixa resolução, mas quase omnidirecional (ver memória).

Embora a odometria seja cada vez mais bem compreendida até mesmo no nível neuronal, os mecanismos precisos subjacentes à memória visual são menos compreendidos. Conseqüentemente, existem várias teorias concorrentes sobre como os insetos usam a visão para navegação. Uma das primeiras teorias propõe um modelo de “instantâneo”, no qual um inseto, como uma formiga, ocasionalmente tira instantâneos do seu ambiente. Mais tarde, ao chegar perto do local no instantâneo, ele pode comparar sua percepção visual atual com o instantâneo e mover-se para minimizar as diferenças. Isso permite que o inseto navegue, ou “para casa”, até o local do instantâneo, removendo qualquer desvio que inevitavelmente se acumula ao realizar apenas a odometria.

"A navegação baseada em instantâneos pode ser comparada à maneira como João tentou não se perder no conto de fadas de João e Maria. Quando Joãozinho jogou pedras no chão, ele conseguiu voltar para casa, no entanto, quando jogou migalhas de pão que foram comidas pelos pássaros, ele se perdeu. No nosso caso, as pedras são os instantâneos", disse Tom van Dijk, primeiro autor do estudo. "Tal como acontece com uma pedra, para que um instantâneo funcione, o robô tem que estar perto o suficiente do local do instantâneo. Se o ambiente visual ficar muito diferente daquele no local do instantâneo, o robô pode se mover na direção errada e nunca mais voltar. Portanto, é necessário usar instantâneos suficientes - ou, no caso de Hansel, deixar cair um número suficiente de pedras. Por outro lado, deixar cair pedras muito próximas umas das outras esgotaria as pedras de Hansel muito rapidamente. No caso de um robô, usar muitos instantâneos leva a grandes consumo de memória. Trabalhos anteriores neste campo normalmente tinham os instantâneos muito próximos, de modo que o robô pudesse primeiro localizar visualmente um instantâneo e depois o próximo.”

“A principal ideia subjacente à nossa estratégia é que é possível espaçar os instantâneos muito mais distantes, se o robô viajar entre os instantâneos com base na odometria”, disse o professor Guido de Croon, co-autor do artigo. "O homing funcionará desde que o robô esteja perto o suficiente do local do instantâneo, ou seja, desde que o desvio de odometria do robô caia dentro da área de captação do instantâneo. Isso também permite que o robô viaje muito mais longe."

A estratégia de navegação proposta inspirada em insetos permitiu que um drone Crazyflie de 56 gramas, equipado com uma câmera omnidirecional, cobrisse distâncias de até 100 metros com apenas 1,16kB. Todo o processamento visual aconteceu em um minúsculo microcontrolador.

“A estratégia de navegação proposta inspirada em insetos é um passo importante no caminho para a aplicação de pequenos robôs autônomos no mundo real”, disse de Croon. "A funcionalidade da estratégia proposta é mais limitada do que a fornecida pelos métodos de navegação de última geração; ela não gera um mapa e apenas permite que o robô retorne ao ponto de partida. Ainda assim, para muitas aplicações isso pode ser mais que suficiente. Por exemplo, para rastreamento de estoque em armazéns ou monitoramento de colheitas em estufas, os drones poderiam voar, coletar dados e depois retornar à estação base. Eles poderiam armazenar imagens relevantes para a missão em um pequeno cartão SD para pós-processamento por um servidor."

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