Jarenlang hebben zowel sciencefictionauteurs als echte robotica-onderzoekers gedroomd van een toekomst waarin tientallen of zelfs honderden kleine drones ter grootte van een insect samenwerken om grote gebieden autonoom te verkennen. Maar er is een probleem. Deze draagbare, lichtgewicht machines missen eenvoudigweg de verwerkingskracht en capaciteit waarmee auto’s zonder bestuurder en andere grotere robotachtige neven hun eigen weg door de wereld kunnen navigeren. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) in Nederland denken nu dat ze misschien een oplossing voor dat dilemma hebben gevonden, en het begint met de nederige mier.
Mieren, en insecten in het algemeen, hebben biologen al lang gefascineerd vanwege hun vermogen om lange reizen te maken op zoek naar voedsel en hulpbronnen en intuïtief weten hoe ze naar huis kunnen terugkeren. Woestijnmieren die de Sahara bewonen, kunnen meer dan twee kilometer van hun nest reizen zonder te verdwalen. Bijen kunnen bijna twee keer zo ver reizen en met een brein dat kleiner is dan een rijstkorrel. Onderzoekers theoretiseren dat vooral mieren kunnen navigeren door hun stappen te tellen en een ‘snapshot-model’ te gebruiken, waarbij ze in wezen mentale foto’s maken van de omgeving om hen heen. Later, tijdens het reizen, proberen de insecten de visuele elementen om hen heen te matchen met de opgeslagen beelden totdat ze matchen. Het resultaat is een uiterst efficiënt navigatiehulpmiddel dat gebruik maakt van minimaal geheugen en hersenkracht.
Schrijven op 17 juli om Wetenschap RoboticaOnderzoekers van de TU Delft wilden kijken of ze die waarnemingen uit de insectenwereld konden overnemen en toepassen op een vliegende drone van 56 gram, uitgerust met een kleine camera en een goedkope processor. De onderzoekers creëerden een indoor hindernisbaan en maakten verschillende beelden voor drone-referentie. De opnames werden zo ver mogelijk uit elkaar geplaatst om te zorgen voor een kleiner totaal aantal beelden dat de drone moest opslaan. Dit betekent weer dat de drone minder geheugencapaciteit nodig heeft.
Eenmaal ingezet konden de minimalistische drones terugkeren naar een herinnering aan opgeslagen beelden en van punt naar punt bewegen via een pad als een schakel in een ketting voordat ze uiteindelijk terugkeerden naar hun thuisbasis. Uiteindelijk kon de drone met succes 100 meter rond de baan afleggen met slechts 0,65 kilobyte geheugen. Alle visuele berekeningen die de op insecten geïnspireerde robot nodig had om de cursus te voltooien, vonden plaats op een gewone microcontroller die vaak wordt aangetroffen in goedkope consumentenelektronica.
“Experimenten tonen aan dat zelfs kleine robots autonoom kunnen bewegen”, schreven de onderzoekers.
Professor Tom van Dijk, hoogleraar aan de Technische Universiteit van Delt, vergeleek het filmproces met het sprookje van Hans en Grietje, waarin Hans broodkruimels en stenen gooit om het stel te helpen de weg naar huis te vinden.
“Toen Hans de stenen op de grond gooide, kon hij naar huis terugkeren. Toen hij echter broodkruimels gooide die door de vogels werden opgegeten, raakten Hans en Grietje verdwaald”, aldus Van Dijk in een verklaring. “In ons geval zijn de rotsen de opname.”
“Net als bij de steen moet de robot, om de opname te laten werken, dicht genoeg bij de locatie van de opname zijn”, voegde Van Dijk eraan toe. “Als de visuele omgeving te veel verschilt van de locatie van de opname, kan de robot in de verkeerde richting bewegen en nooit meer terugkomen.”
Op bugs geïnspireerde drones kunnen worden ingezet in afgelegen, ontoegankelijke gebieden
Experimenten met de beelden zouden op een dag zwermen kleine drones kunnen helpen autonoom te navigeren zonder zware, complexe sensoren of externe infrastructuur zoals GPS. Die eenvoud zou nuttig kunnen zijn in dichtbevolkte stedelijke gebieden of afgelegen grotten waar GPS-functionaliteit misschien geen optie is. Zelfnavigerende zwermen kleine, met camera’s uitgeruste drones kunnen worden gebruikt om gewassen te monitoren op vroege tekenen van infectie, de voorraden in magazijnen te volgen of zelfs kleine gebieden binnen te dringen om te helpen bij zoek- en reddingsoperaties. Strijdkrachten over de hele wereld, waaronder de VS, testen ook al manieren om zwermen drones van verschillende groottes op het slagveld in te zetten. En hoewel hun kleine formaat hen ervan weerhoudt lidar of andere krachtige 3D-kaartsensoren uit te rusten die op sommige grotere robots te vinden zijn, beweren de onderzoekers van de TU Delft dat de hoeveelheid energie voor veel gebruiksscenario’s te veel zou kunnen zijn.
“Voor veel toepassingen kan dit meer dan genoeg zijn”, zegt hoogleraar bio-geïnspireerde drones van de TU Delft en co-auteur van het artikel Guido de Croon.
“De voorgestelde, op insecten geïnspireerde navigatiestrategie is een belangrijke stap in de richting van de real-world toepassing van kleine autonome robots”, voegde hij eraan toe.
Op dieren geïnspireerde robots zijn overal
Het video-experiment draagt bij aan de groeiende inventaris van door dieren beïnvloede robots en drones. Robotosites hebben al machines gemaakt die zijn geïnspireerd op de bewegingen van honden, katten, muizen, vogels en zelfs tonijn. En ondanks voortdurend onderzoek naar de natuurlijke wereld bestaan er nog steeds mysteries over de manier waarop dieren denken en taken uitvoeren die de gemiddelde waarnemer misschien als vanzelfsprekend beschouwt. Het is waarschijnlijk dat verdere inzichten in het gedrag van dieren de opkomende robotica zullen blijven beïnvloeden.