Homeward Bound – Πώς τα μυρμήγκια εμπνέουν τη ρομποτική με τεχνητή νοημοσύνη

Πλοήγηση όπως τα μυρμήγκια

Ξέρουμε ότι τα έντομα δεν είναι ιδιαίτερα έξυπνα με την ανθρώπινη έννοια. Ωστόσο, παρά τους περιορισμούς τους, είναι σε θέση να εκτελούν αξιοσημείωτες επιδόσεις στην οργάνωση και τον προσανατολισμό. Αυτό τα καθιστά πηγή έμπνευσης για ερευνητές που εργάζονται σε μικρορομπότ και ελαφρά drones, τα οποία αντιμετωπίζουν παρόμοιους περιορισμούς.

Για παράδειγμα, το έρημο μυρμήγκι Cataglyphis μπορεί να τρέφεται σε μεγάλες αποστάσεις και στη συνέχεια να επιστρέφει ευθεία στο φωλιά του, με διαδρομές έως 1 km.

Η χαμηλή δυνατότητα μεταφοράς, καθώς και η διαθέσιμη ενέργεια, σημαίνουν ότι οι λύσεις που χρησιμοποιούν τα βαρύτερα αυτόνομα συστήματα όπως τα αυτόνομα αυτοκίνητα δεν μπορούν να εφαρμοστούν. Για παράδειγμα, το LIDAR («laser radar») είναι εξαιρετικό για τη δημιουργία τρισδιάστατων χαρτών του περιβάλλοντος, αλλά είναι πολύ βαρύ και καταναλώνει πολύ ενέργεια. Απαιτεί επίσης μεγάλη υπολογιστική ισχύ, η οποία με τη σειρά της απαιτεί πολλή μνήμη και επεξεργασία, κάτι που είναι επίσης ενεργοβόρο και βαρύ.

Οι φάροι και τα σήματα GPS είναι εναλλακτικές, αλλά απαιτούν ακριβές εξοπλισμό, μπορεί να είναι αναξιόπιστες ή ακόμη και αδύνατες. Έτσι, η κατανόηση του πώς έντομα όπως τα μυρμήγκια και οι μέλισσες καταφέρνουν να πλοηγούνται στον κόσμο με το πιο περιορισμένο «υλικό» και ενεργειακή παροχή θα μπορούσε να μας βοηθήσει να το αναπαράγουμε στα δικά μας ρομπότ και drones.

Αυτή είναι η γενική ιδέα της χρήσης βιο-εμπνευσμένων ρομπότ, ένα θέμα που εξετάσαμε περαιτέρω με ρομπότ εμπνευσμένα από χταπόδι, σαλαμάνδρη, φίδι και σκύλο στο άρθρο «How Robotics Can Take a Cue From Nature».

Γιατί να χρησιμοποιούμε μικρορομπότ;

Τα μικρότερα ρομπότ και drones είναι φθηνότερα στην κατασκευή και μπορούν να καλύψουν περισσότερες επιφάνειες ταυτόχρονα με το ίδιο κόστος. Λόγω του μικρότερου μεγέθους, μπορούν επίσης να παρατηρούν λεπτομερέστερα, χωρίς να διατρέχουν κίνδυνο σύγκρουσης με το περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, πετούν μέσα σε θερμοκήπιο και σαρώνουν για πρώιμα σημάδια ασθενειών ή παρασίτων στα φυτά.

Ή μπορούν να αναπτυχθούν για αποστολές έρευνας και διάσωσης, διερευνώντας ερείπια ή άγρια περιοχές για άτομα που χρειάζονται βοήθεια. Τέτοια σμήνη ρομποτικών «πτηνών/μυρμηγκιών/δράκων» θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να εντοπίζουν γρήγορα επιζώντες μετά από σεισμό.

Πηγή: TU Delft

Πώς τα μυρμήγκια πλοηγούνται στον κόσμο

Μία μέθοδος είναι η χρήση όρασης, κάτι στο οποίο τα έντομα είναι ιδιαίτερα ικανοί καθώς διαθέτουν σχεδόν παντοκατευθυντικό οπτικό σύστημα (βλέπουν σε όλες τις κατευθύνσεις ταυτόχρονα). Ωστόσο, αυτή η όραση έχει σχετικά χαμηλή ανάλυση.

Μερικές από τις πιο αρχαίες και καθιερωμένες θεωρίες για το πώς τα έντομα χρησιμοποιούν την όραση για προσανατολισμό βρίσκονται στο «μοντέλο στιγμιότυπου».

Η ιδέα είναι ότι ο εγκέφαλος του εντόμου λαμβάνει τακτικά στιγμιότυπα του περιβάλλοντός του. Όταν χρειάζεται να επιστρέψει «στο σπίτι», συγκρίνει το τρέχον περιβάλλον με τα πρόσφατα αποθηκευμένα στιγμιότυπα.

Αυτή η έννοια είναι πλέον καλά κατανοητή, τουλάχιστον σε νευρωνικό επίπεδο. Έτσι, θα μπορούσε να αναπαραχθεί σχετικά εύκολα σε ρομπότ.

Σ θεωρία, αυτή η μέθοδος μόνη της θα μπορούσε να είναι επαρκής. Αλλά στην πράξη, αντιμετωπίζει ορισμένους περιορισμούς:

• Για να λειτουργήσει καλά, απαιτεί μια πολύ στενή σειρά στιγμιοτύπων, με ακόμη και μία ελλιπή δεδομένη να οδηγεί σε αποπροσανατολισμό και ενδεχομένως το ρομπότ να χαθεί εντελώς.
• Καθώς απαιτεί πολλά στιγμιότυπα, θα ήταν υπερβολικά απαιτητικό τόσο για τους εγκεφάλους των μυρμηγκιών όσο και για τη μνήμη των ρομπότ.

Προσθήκη Οδόμετρης

Μία άλλη μέθοδος που χρησιμοποιούν τα μυρμήγκια, και τα έντομα γενικά, είναι η παρακολούθηση της κίνησής τους, μια μέθοδος που ονομάζεται οδόμετρία. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης στη ρομποτική, αλλά το πρόβλημα είναι η έλλειψη ακρίβειας. Κάθε βήμα εκτιμάται από αισθητήρες κίνησης (ή υποκειμενική αντίληψη στην περίπτωση των μυρμηγκιών), αλλά ποτέ δεν αντανακλά τέλεια την πραγματική κίνηση.

Αυτό οδήγησε σε προοδευτική απόκλιση στην ακρίβεια της εκτίμησης της τρέχουσας θέσης βάσει οδόμετρης, καθιστώντας την όλο και πιο ανακριβή με την πάροδο του χρόνου.

Ο συνδυασμός των 2 μεθόδων ήταν η βασική ιδέα για τους ερευνητές του Πανεπιστημίου TU Delft, Ολλανδία. Σε ένα επιστημονικό άρθρο με τίτλο «Visual route following for tiny autonomous robots», συνδύασαν τόσο τα οπτικά στιγμιότυπα όσο και την οδόμετρη για να αυξήσουν την αυτονομία των μικρορομπότ.

Μεγαλύτερη Απόδοση

Αυτό επέτρεψε στο ρομπότ να επαναρυθμίζει τακτικά την απόκλιση της οδόμετρης κάθε φορά που εντόπιζε ένα από τα ορόσημα των στιγμιοτύπων του.

Πηγή: Science Robotics

Ταυτόχρονα, η εξάρτηση κυρίως από την οδόμετρη μειώνει την ανάγκη για υπερ-κοντινά στιγμιότυπα, δίνοντας στα μικρορομπότ τη δυνατότητα να κινούνται πιο γρήγορα μεταξύ σημείων, χωρίς να χρειάζεται να ελέγχουν συνεχώς για οπτικά στοιχεία της διαδρομής τους.

“Η κύρια ιδέα που στηρίζει τη στρατηγική μας είναι ότι μπορείτε να διαχωρίσετε τα στιγμιότυπα πολύ πιο μακριά αν το ρομπότ ταξιδεύει μεταξύ των στιγμιοτύπων βάσει οδόμετρης.

Η επιστροφή στο σπίτι θα λειτουργήσει εφόσον το ρομπότ καταλήξει αρκετά κοντά στη θέση του στιγμιότυπου, δηλαδή εφόσον η απόκλιση της οδόμετρης του ρομπότ πέσει εντός της περιοχής σύλληψης του στιγμιότυπου.

Καθηγητής Guido de Croon.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το νέο λογισμικό προσανατολισμού που συνδυάζει στιγμιότυπα και οδόμετρη για να δοκιμάσει πόσα λίγα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσανατολισμό ενός ρομπότ βάρους μόλις 56 g σε απόσταση 100 m.

Πηγή: Science Robotics

Μπορεί να είναι σε εξαιρετικά μικρό μέγεθος, μόλις 1,16 kilobytes. Για σύγκριση, μια μέση εικόνα που λαμβάνεται από ένα smartphone θα είναι χιλιάδες kilobytes ανά φωτογραφία, και οι περισσότερες διαδικτυακές εικόνες κυμαίνονται σε δεκάδες ή εκατοντάδες kilobytes.

Ακόμη καλύτερα, όλη η επεξεργασία εικόνας θα μπορούσε να εκτελείται από έναν ελαφρύ μίνι-υπολογιστή που ονομάζεται «μικροελεγκτής», ο οποίος βρίσκεται σε πολλές φθηνές ηλεκτρονικές συσκευές.

Εφαρμογές

Βιομηχανία

Τέτοια μικρορομπότ και drones θα έχουν πολύ περιορισμένη ικανότητα επεξεργασίας δεδομένων, με το μεγαλύτερο μέρος της επεξεργαστικής ισχύος του ενσωματωμένου μικροελεγκτή να απασχολείται με τη διαχείριση της πλοήγησης και της συλλογής δεδομένων.

Ωστόσο, αυτά τα drones θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση αποθεμάτων σε αποθήκες ή την παρακολούθηση καλλιεργειών σε θερμοκήπια. Θα λειτουργούσαν αφήνοντάς τα να περπατούν ή να πετούν γύρω και να συλλέγουν δεδομένα όπως φωτογραφίες, barcode ή ετικέτες RFID. Αυτό το σημείο δεδομένων μπορεί να αποθηκευτεί σε μια μικρή κάρτα SD.

Αυτές οι εγγραφές θα μεταφέρονταν στη συνέχεια σε έναν μεγαλύτερο υπολογιστή ή διακομιστή που θα μπορούσε να επεξεργαστεί τα δεδομένα και να τα μετατρέψει σε χρήσιμες πληροφορίες.

Στρατιωτικό

Ένας άλλος πιθανός τομέας εφαρμογής θα μπορούσε να είναι η στρατιωτική τεχνολογία, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη τη αυξανόμενη σημασία των drones στο σύγχρονο πεδίο μάχης, όπως δείχνει ο πόλεμος στην Ουκρανία.

Μικρά ιπτάμενα drones που είναι αρκετά ελαφριά ώστε να χωρούν σε σακίδιο πεζικού θα μπορούσαν να σταλούν εκ των προτέρων για αναγνώριση και να επιστρέψουν με εικόνες των θέσεων του εχθρού σε προστατευμένους στρατιώτες.

Δεδομένου ότι η περιοχή πιθανότατα θα είναι έντονα παρεμβαλλόμενη από ηλεκτρονικό πόλεμο (EW) και σε συνεχώς μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα, η αυτόνομη πλοήγηση των drones θα είναι απαραίτητη. Το ελαφρύ βάρος και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας είναι επίσης πιθανό να αποτελέσουν βασικά χαρακτηριστικά. Στην έρευνα που συζητείται εδώ, ένα drone μπόρεσε να πλοηγηθεί σε διαδρομή 300 m σε προσομοιωμένο δασικό περιβάλλον.

Πηγή: Flir

Περαιτέρω Έρευνα

Η στρατηγική συνδυασμού οδόμετρης και στιγμιοτύπων είναι πολύ αποδοτική και μπορεί να γίνει ακόμη πιο αποδοτική βελτιώνοντας την ακρίβεια του οδόμετρου. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται μπορεί επίσης να προσαρμοστεί ώστε να είναι ακόμη πιο αποδοτικός σε μνήμη και ενέργεια.

Μια άλλη βελτίωση θα ήταν η προσθήκη δυνατοτήτων αποφυγής συγκρούσεων στο ρομπότ, ειδικά καθώς διαθέτει ήδη παντοκατευθυντική όραση.

Θα χρειαστεί ακόμη μια λύση για τις περιπτώσεις που το ρομπότ εξακολουθεί να χάνει τον προσανατολισμό. Για παράδειγμα, οι ερευνητές προτείνουν ότι «το ρομπότ θα μπορούσε να εκτιμήσει το μέγεθος της περιοχής σύλληψης σε πραγματικό χρόνο και να εξοπλιστεί με διαδικασία αναζήτησης όταν χάνει τη διαδρομή».

Αυτή η διαδικασία είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για μικρά ρομπότ που συνήθως δυσκολεύονται με τον προσανατολισμό χρησιμοποιώντας άλλες μεθόδους. Ωστόσο, θα μπορούσε να αρχίσει να εφαρμόζεται και σε μεγαλύτερα ρομπότ, ώστε να μειωθεί η ανάγκη για ακριβό εξοπλισμό όπως το LIDAR, και να μειωθούν οι απαιτήσεις υπολογισμού και ενέργειας.

Drones & Εταιρείες Ρομπότ

1. AutoStore Holdings Ltd. (AUTO.OL)

Τα αυτόνομα οχήματα όπως τα αυτόνομα αυτοκίνητα μπορεί να είναι κοντά, αλλά αποτελούν μια δύσκολη τεχνολογία για ανάπτυξη, ακόμη και για τεχνολογικούς ηγέτες όπως η Google και η Tesla. Ωστόσο, υπάρχει ένας τομέας που ήδη επαναπροσδιορίζεται από την αυτόνομη οδήγηση και τη ρομποτική: τη λογιστική.

Η νορβηγική AutoStore παρέχει αυτοματοποιημένες αποθήκες για βιομηχανίες τόσο διαφορετικές όσο η φαρμακευτική, η ένδυση, τα παντοπωλεία, η αεροπορία, η λογιστική ή οι βιομηχανικοί κατασκευαστές. Οι εταιρείες ένδυσης, βιομηχανίας και τρίτων λογιστικών αποτελούν τα τρία μεγαλύτερα τμήματα της επιχείρησης της AutoStore.

Οι αποθήκες της εταιρείας βασίζονται σε αυτόνομα ρομπότ που μπορούν αυτόνομα να εντοπίζουν και να συλλέγουν τα δέματα ή τα προϊόντα και να τα μεταφέρουν εκεί που πρέπει. Μπορείτε να τα δείτε σε δράση σε αυτό το βίντεο:

Η εταιρεία επεκτείνεται γρήγορα, χάρη στο ότι όλο και περισσότερες μεγάλες εταιρείες συνειδητοποιούν το πλεονέκτημα της δημιουργίας πιο αποδοτικών, ανθεκτικών και ταχύτερων λογιστικών συστημάτων μετά την πανδημία. Κατά μέσο όρο, χρειάζονται μόνο 1-3 χρόνια για να αποπληρωθεί η αρχική επένδυση στην αναβάθμιση σε αυτόνομα αποθήκες.

Η AutoStore δραστηριοποιείται σε 50 χώρες, λειτουργώντας 58.500 ρομπότ για 900 διαφορετικούς πελάτες. Τα έσοδά της αυξήθηκαν κατά 50% CAGR από το 2017. Αυτό είναι 2-3 φορές πιο γρήγορο από την ετήσια ανάπτυξη της αγοράς αυτοματοποιημένων αποθηκών, η οποία εκτιμάται στο 15%.

Πηγή: AutoStore

Όπως πολλές ευρωπαϊκές τεχνολογικές εταιρείες, η AutoStore παρέχει πολύ προχωρημένες λύσεις που είναι επίσης κάπως αόρατες στο ευρύ κοινό.

Οι περισσότερες αποθήκες θα μεταβούν προς την αυτοματοποίηση. Οι ηγέτες σε αυτόν τον τομέα είναι πιθανό να υπερβούν την ανάπτυξη του κλάδου, καθώς είναι λογικό να βασίζεστε στον πάροχο που μπορεί να υλοποιήσει αυτές τις λύσεις σε κλίμακα και σε χαμηλότερη τιμή.

Τα ρομπότ που είναι πιο αυτόνομα και πιο αποδοτικά στην εύρεση του δρόμου τους θα μπορούσαν να αποτελέσουν τόσο ευκαιρία όσο και απειλή για την AutoStore. Προς το παρόν, απαιτείται πλήρης ανασχεδιασμός μιας αποθήκης για τη χρήση των ρομποτικών λύσεων της εταιρείας.

Στο μέλλον, τα ρομπότ θα μπορούν να βρίσκουν το δρόμο τους χωρίς την ανάγκη του τρέχοντος πλέγματος, καθιστώντας την υιοθέτηση πολύ πιο εύκολη, λιγότερο διαταρακτική για τις τρέχουσες λειτουργίες, και η αρχική επένδυση πολύ μικρότερη, επιλύοντας τα κύρια εμπόδια για τη μαζική υιοθέτηση της τεχνολογίας.

Πηγή: Autostore

2. Zebra Technologies Corporation (ZBRA)

Η Zebra Technologies (ZBRA ) παράγει ετικέτες παρακολούθησης και σαρωτές που επιτρέπουν την παρακολούθηση κάθε στοιχείου μιας «έξυπνης» εργοστασιακής μονάδας. Περιλαμβάνει φορητούς υπολογιστές, σαρωτές barcode, μηχανική όραση, τεχνολογία τοποθεσίας, ετικέτες και RFID (Αναγνώριση Ραδιοσυχνότητας).

Αυτό το επίπεδο συλλογής και ανάλυσης δεδομένων αποτελεί βασικό στοιχείο στην υλοποίηση ρομποτικής, ειδικά της πιο κινητής και ευέλικτης φύσης, εκτός γραμμής συναρμολόγησης.

Η εταιρεία βρίσκεται στην αρχή της δημοτικότητας του barcode και από το 2018 βρίσκεται σε σειρά εξαγορών για τη συγκέντρωση όλων των τεχνολογιών που απαιτούνται για την «ρομποτικοποίηση» και ψηφιοποίηση των σύγχρονων αποθηκών & εργοστασίων.

Πηγή: Zebra

Προς το παρόν, τα κύρια τμήματα της εταιρείας είναι το ηλεκτρονικό εμπόριο & λιανική και οι μεταφορές/λογιστική, ακολουθούμενα από τη βιομηχανία.

Πηγή: Zebra

Καθώς τα ρομπότ γίνονται ολοένα και πιο κεντρικά στο ηλεκτρονικό εμπόριο και τη λογιστική, τα συστήματα παρακολούθησης Zebra γίνονται όλο και πιο απαιτημένα.

Μέχρι τώρα, απαιτείται ακόμη η προετοιμασία του χώρου για σχετικά μεγάλα ρομπότ.

Αν ένα μικρορομπότ βάρους μόλις μερικών δεκάδων γραμμαρίων μπορεί τώρα να κυκλοφορεί και να σαρώνει ετικέτες RFID, σύντομα θα μπορούμε να δούμε συνεχή παρακολούθηση όλων των δραστηριοτήτων σε ένα εργοστάσιο ή μια αποθήκη να διαχειρίζεται αυτόνομα, μέσω ενός σμήνους drones που μοιάζουν με μέλισσες.