Investigadores internacionales de robótica han desarrollado un sistema de búsqueda y rescate urbano (USAR) que utiliza una cucaracha viva ‘dirigible’ para transportar un sistema de detección de sobrevivientes infrarrojos miniaturizado habilitado para aprendizaje automático a través de escenarios de desastre que de otro modo no serían navegables.
Él sistema es una colaboración entre departamentos de investigación en Singapur, China, Alemania y el Reino Unido. utiliza el cucaracha de madagascar como vehículo, y tiene potencia suficiente para funcionar durante varias horas.
Fuente: https://arxiv.org/abs/2105.10869
El sistema de rescate híbrido presenta un modelo de aprendizaje automático para la detección humana que fue entrenado en imágenes infrarrojas (IR) y alimenta el sistema de detección IR móvil, que puede operar de manera autónoma según sea necesario, informando a los sobrevivientes encontrados a una estación operativa base.
Recursos locales limitados
Se requiere que el marco de aprendizaje automático funcione con recursos extraordinariamente escasos: solo quedan 191,8 kB de RAM estática y 1988 kB de memoria Flash para el sistema de los requisitos generales de energía para el dispositivo, que también debe proporcionar el estímulo eléctrico para el insecto.
Los tres bloques funcionales de la mochila de la cucaracha, que se muestran arriba, incluyen estimulación inalámbrica, una unidad de control principal y componentes periféricos, con el sistema de aprendizaje automático derivado de IR y la funcionalidad de navegación integrada en la unidad de control principal. El circuito de la plataforma se ha dividido en varios componentes para adaptarse mejor a la geometría de la cucaracha.
La cucaracha de Madagascar (entre las especie más grande del mundo, con una capacidad de carga máxima de 15 g) está controlado por pequeñas descargas eléctricas que lo dirigen en una dirección u otra, implementadas por cuatro electrodos implantados en las antenas de la criatura (cerca), y en su abdomen. Los electrodos están asegurados con cera de abejas.
Agregar IA a la búsqueda y rescate de insectos
La nueva iniciativa desarrolla el trabajo previo de UC Berkeley y la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur, que primero concibió usando escarabajos orientables en escenarios USAR.
Investigación de 2016 sobre el control de la trayectoria de vuelo de un escarabajo. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=iljHXpE4LG8
Aunque los escarabajos tienen la capacidad adicional de volar, su capacidad de carga se reduce posteriormente, lo que reduce las capacidades potenciales de las tecnologías a bordo y lleva las demandas de consumo de energía a un nivel crítico, particularmente en un caso en el que es necesario ejecutar un algoritmo de aprendizaje automático.
El sistema de reconocimiento humano autónomo integrado en la nueva iniciativa utiliza un modelo de clasificación de imágenes que utiliza una máquina de vectores de soporte (SVM) y Histograma de gradientes orientados.
El movimiento de la cucaracha está dirigido por el sistema de navegación integrado y guía al ‘biobot’ a un destino predeterminado sin ningún conocimiento de los obstáculos que se interponen. En su mayor parte, las formidables habilidades de navegación de la cucaracha resuelven la mayoría de los problemas para llegar a un lugar que de otro modo sería inalcanzable.
Fuente: https://arxiv.org/abs/2105.10869
El sistema de infrarrojos a bordo captura imágenes a 1 Hz, opera con éxito en áreas oscuras e informa de forma inalámbrica a cualquier sobreviviente localizado a un centro de comando en tiempo real. Para conservar energía, el sistema de análisis de imágenes solo comienza a funcionar si se activa con una lectura infrarroja positiva.
El modelo ocupa apenas 18,3kB de memoria Flash y 52,2kB de RAM estática, logrando un tiempo de cálculo de 95 milisegundos. Un tiempo de procesamiento razonable es esencial en un escenario USAR, ya que, de lo contrario, las señales infrarrojas distantes podrían perderse en el intervalo de procesamiento cuando la cucaracha cambia de dirección y atraviesa el terreno.
El sistema también cuenta con sensores para monitorear la temperatura, la humedad y el CO2, con el fin de informar las condiciones locales para un posible intento de rescate, y permitir que el centro de control aleje a la criatura de cualquier situación que la ponga en peligro.
Pruebas en terrenos simulados
El sistema se probó en un escenario de desastre simulado (imagen de arriba), con una negociación de obstáculos efectiva, excepto en ciertas configuraciones particularmente desafiantes que involucran escaladas vertiginosas, ya que la cucaracha tiene una desventaja de peso debido al equipo adjunto.
Inicialmente, la arquitectura de navegación tenía una tendencia a atascarse en obstáculos abrumadores, como situaciones en las que incluso la cucaracha no podía avanzar más, y los investigadores desarrollaron posteriormente un sistema de navegación de retroalimentación predictiva para mejorar el rendimiento frente a obstáculos altos. El sistema pudo lograr una tasa de éxito del 100 % en entornos sin obstáculos o con obstáculos bajos, y una tasa de éxito más alta con obstáculos altos.
Donde ocurrió la falla, los investigadores concluyen que esto podría remediarse aumentando la duración del experimento, aunque esto lógicamente tiene implicaciones en un escenario USAR de tiempo crítico.
Vista infrarroja
La cámara infrarroja integrada tiene especificaciones modestas, operando a 32×32 píxeles con un campo de visión de 90 grados. Las imágenes, cuando se activan, pasan a través de un filtro de eliminación de ruido medio.
El sistema logra una tasa de éxito del 87 % en la distinción de sujetos humanos de otros tipos de firma térmica, que aumenta al 90 % cuando se encuentra en un radio de proximidad de 0,5 m y 1,5 m.
Debido a las limitaciones de energía y tamaño del chip, el estudio inicial no cuenta con un sistema de localización a bordo y, por lo tanto, no es posible rastrear la posición de la cucaracha en tiempo real. Los investigadores sugieren que la navegación a estima podría implementarse como una solución de ahorro de energía, con señales de ubicación de baja energía retransmitidas al centro de control, en implementaciones futuras.
Insectos como operadores de búsqueda y rescate
Los últimos diez años han traído una serie de proyectos de investigación que buscan utilizar la resiliencia y el poder de navegación de los insectos para crear sistemas robóticos híbridos o puros para escenarios de búsqueda y rescate. Además del trabajo relacionado con los escarabajos de 2016 que precede a esta última iniciativa, ha habido varios intentos de recrear las capacidades de los insectoides en forma puramente robótica.
Estos incluyen un proyecto de investigación de 2019 de la UoC que ofreció un robot ergonómicamente simple basado en los principios de una cucaracha, uno de los primeros proyectos de este tipo para abordar la extrema fragilidad de los insectos robóticos.