Rumo ao Lar – Como Formigas Inspiram Robótica Baseada em IA

Navegando como Formigas

Sabemos que os insetos não são especialmente inteligentes no sentido humano. No entanto, apesar de suas limitações, eles conseguem realizar feitos notáveis de organização e orientação. Isso os torna uma inspiração para pesquisadores que trabalham com microrobôs e drones leves, que enfrentam restrições semelhantes.

Por exemplo, a formiga do deserto Cataglyphis pode forragear por longas distâncias e depois caminhar diretamente de volta ao seu ninho, com percursos de até 1 km.

A baixa capacidade de carga, bem como a energia disponível, significam que soluções usadas por sistemas autônomos mais pesados, como carros autônomos, não podem ser utilizadas. Por exemplo, o LIDAR (“radar a laser”) é ótimo para criar mapas 3D do ambiente, mas é muito pesado e consome muita energia. Também requer muita computação, que por sua vez demanda muita memória e processamento, o que também consome energia e peso.

Sinais de beacon e GPS são alternativas, mas exigem instalações caras, podem ser pouco confiáveis ou são simplesmente impossíveis. Portanto, entender como insetos como formigas e abelhas conseguem navegar pelo mundo com apenas o “hardware” e suprimento de energia mais limitados pode nos ajudar a replicar isso em nossas próprias criações para robôs e drones.

Esta é a ideia geral de usar robôs bioinspirados, um tópico que exploramos mais a fundo com robôs inspirados em polvo, salamandra, serpente e cão em nosso artigo “Como a Robótica Pode Se Inspirar na Natureza”.

Por que Usar Microrobôs?

Robôs e drones menores são mais baratos de construir e podem cobrir mais superfícies ao mesmo tempo pelo mesmo custo. Por serem menores, também podem observar detalhes com mais precisão, sem risco de colidir com o ambiente. Por exemplo, eles voam dentro de uma estufa e escaneiam sinais iniciais de doenças ou pragas nas plantas.

Ou podem ser implantados em missões de busca e resgate, investigando ruínas ou áreas selvagens em busca de pessoas que precisam de ajuda. Enxames de “pássaros/formigas/libélulas” robóticos poderiam detectar rapidamente sobreviventes após um terremoto, por exemplo.

Fonte: TU Delft

Como as Formigas Navegam o Mundo

Um método é usar a visão, algo em que os insetos são especialmente bons, pois possuem um sistema visual quase omnidirecional (vendo em todas as direções ao mesmo tempo). No entanto, essa visão tem resolução relativamente baixa.

Algumas das teorias mais antigas e estabelecidas sobre como os insetos usam a visão para se orientar estão no “modelo de instantâneo”.

A ideia é que o cérebro do inseto captura instantâneos de seu ambiente regularmente. Quando precisa navegar de volta para “casa”, ele compara o ambiente atual com os instantâneos armazenados recentemente.

Esse conceito agora é bem compreendido, ao nível neuronal. Portanto, pode ser relativamente fácil de replicar em robôs.

Em teoria, esse método sozinho poderia ser suficiente. Mas na prática, ele sofre de algumas limitações:

• Para funcionar bem, requer uma série muito apertada de instantâneos, e até mesmo a falta de um dado pode levar à desorientação e potencialmente fazer o robô se perder completamente.
• Como requer muitos instantâneos, seria sobrecarregante tanto para os cérebros das formigas quanto para a memória dos robôs.

Adicionando Odometria

Outro método usado por formigas e insetos em geral é acompanhar seu movimento, um método chamado odometria. Esse método também é usado em robótica, mas o problema é a falta de precisão. Cada passo é estimado a partir de sensores de movimento (ou percepção subjetiva no caso das formigas), mas nunca reflete perfeitamente o movimento real.

Isso levou a um desvio progressivo na precisão da estimativa baseada em odometria da localização atual, tornando-se cada vez mais imprecisa ao longo do tempo.

Combinar os 2 métodos foi a ideia chave para pesquisadores da Universidade TU Delft, Holanda. Em um artigo científico chamado “Visual route following for tiny autonomous robots”, eles combinaram instantâneos visuais com odometria para aumentar a autonomia dos microrobôs.

Maior Desempenho

Isso permitiu que o robô redefinisse regularmente o desvio da odometria sempre que encontrasse um de seus instantâneos de referência.

Fonte: Science Robotics

Ao mesmo tempo, confiar principalmente na odometria reduz a necessidade de instantâneos ultra próximos, dando aos microrobôs a capacidade de ir mais rápido entre pontos, sem precisar verificar constantemente pistas visuais de sua trajetória.

“A principal ideia que sustenta nossa estratégia é que você pode espaçar os instantâneos muito mais distantes se o robô viajar entre eles com base na odometria.

O retorno ao lar funcionará desde que o robô termine suficientemente próximo ao local do instantâneo, ou seja, enquanto o desvio da odometria do robô permanecer dentro da área de captura do instantâneo.”

Professor Guido de Croon.

A equipe de pesquisa usou seu novo software de orientação combinando instantâneos e odometria para testar quão poucos dados poderiam ser usados para orientar um robô de apenas 56 g ao longo de 100 m.

Fonte: Science Robotics

Ele pode ter um tamanho extremamente pequeno, apenas 1,16 kilobytes. Para referência, uma imagem média tirada por um smartphone terá milhares de kilobytes por foto, e a maioria das imagens online tem dezenas ou centenas de kilobytes.

Ainda melhor, todo o processamento de imagens pode ser realizado por um mini-computador leve chamado “microcontrolador”, que pode ser encontrado em muitos dispositivos eletrônicos baratos.

Aplicações

Indústria

Esses microrobôs e drones terão capacidade de processamento de dados muito limitada, com a maior parte da potência de processamento do microcontrolador a bordo ocupada gerenciando a navegação e a coleta de dados.

No entanto, esses drones poderiam ser usados para rastrear inventário em armazéns ou monitorar culturas em estufas. Eles funcionariam caminhando ou voando ao redor e coletando dados como fotos, códigos de barras ou etiquetas RFID. Esses dados podem ser salvos em um pequeno cartão SD.

Essas gravações seriam então transferidas para um computador ou servidor maior que poderia pós-processar e transformá-las em dados úteis.

Militar

Outro campo de aplicação provável poderia ser a tecnologia militar, especialmente considerando a crescente importância dos drones no campo de batalha moderno, como ilustrado pela guerra na Ucrânia.

Pequenos drones voadores leves o suficiente para caber em uma mochila de infantaria poderiam ser enviados à frente para reconhecimento e trazer de volta imagens das posições inimigas para soldados abrigados.

Como a área provavelmente seria fortemente bloqueada por guerra eletrônica (EW) e em áreas em constante mudança, a navegação autônoma dos drones será indispensável. Baixo peso e baixo consumo de energia também serão características chave. Na pesquisa discutida aqui, um drone conseguiu navegar em uma trajetória de 300 m em um ambiente florestal simulado.

Fonte: Flir

Pesquisas Futuras

A estratégia de combinar odometria e instantâneos é muito eficiente e pode ser tornada ainda mais eficiente ao melhorar a precisão do odômetro. O algoritmo usado também pode ser ajustado para ser ainda mais eficiente em memória e energia.

Outra melhoria seria acrescentar às capacidades de evasão de colisões do robô, especialmente porque ele já possui visão omnidirecional.

Ainda será necessário encontrar uma solução para quando, de alguma forma, o robô ainda se perder. Por exemplo, os pesquisadores propõem que “o robô poderia estimar o tamanho da área de captura em tempo real e ser dotado de um procedimento de busca ao perder a rota”.

Esse procedimento é especialmente adequado para pequenos robôs que geralmente têm dificuldades de navegação usando outros métodos. Mas pode começar a ser aplicado a robôs maiores também, a fim de reduzir a necessidade de equipamentos caros como LIDAR, e diminuir os requisitos de computação e energia.

Drones & Empresas de Robótica

1. AutoStore Holdings Ltd. (AUTO.OL)

Veículos autônomos como carros autônomos podem estar a um passo, mas têm sido uma tecnologia difícil de desenvolver, mesmo para líderes de tecnologia como Google e Tesla. Mas há um setor que já está sendo revolucionado pela condução autônoma e robótica: logística.

A AutoStore norueguesa fornece armazéns automatizados para indústrias tão diversas como farmacêutica, vestuário, mercearia, aviação, logística ou fabricantes industriais. Empresas de vestuário, industriais e de logística de terceiros compõem os três maiores segmentos do negócio da AutoStore.

Os armazéns da empresa dependem de robôs autônomos que podem identificar e pegar os pacotes ou produtos de forma autônoma e transportá-los para onde devem ir. Você pode vê-los em ação neste vídeo:

A empresa está se expandindo rapidamente, graças a cada vez mais grandes empresas perceberem a vantagem de criar sistemas logísticos mais eficientes, resilientes e rápidos após a pandemia. Em média, leva apenas 1‑3 anos para que a atualização para armazéns autônomos devolva o investimento inicial.

A AutoStore está presente em 50 países, operando 58.500 robôs para 900 clientes diferentes. Seu faturamento cresceu 50 % CAGR desde 2017. Isso é 2‑3 vezes mais rápido que o crescimento anual do mercado de armazéns automatizados, estimado em 15 %.

Fonte: AutoStore

Como muitas empresas de tecnologia europeias, a AutoStore oferece soluções muito avançadas que também são relativamente invisíveis ao grande público.

A maioria dos armazéns avançará rumo à automação. Líderes neste setor provavelmente superarão o crescimento do setor, pois faz sentido contar com o fornecedor capaz de implantar essas soluções em escala e a um preço mais barato.

Robôs que são mais autônomos e mais eficientes em encontrar seu caminho podem ser tanto uma oportunidade quanto uma ameaça para a AutoStore. Atualmente, é necessário redesenhar completamente um armazém para usar as soluções robóticas da empresa.

No futuro, os robôs poderão encontrar seu caminho sem a necessidade da grade atualmente usada, tornando a adoção muito mais fácil, menos disruptiva às operações em andamento, e o investimento inicial muito menor, resolvendo os principais obstáculos à adoção em massa da tecnologia.

Fonte: Autostore

2. Zebra Technologies Corporation (ZBRA)

A Zebra Technologies (ZBRA ) produz etiquetas de rastreamento e scanners que permitem o monitoramento de cada componente de uma fábrica “inteligente”. Inclui computadores móveis, scanners de código de barras, visão de máquina, tecnologia de localização, etiquetas e RFID (Identificação por Rádio‑frequência).

Esse nível de coleta e análise de dados é um componente chave na implementação de robótica, especialmente do tipo mais móvel e flexível, fora de uma linha de montagem.

A empresa esteve na origem da popularização do código de barras e, desde 2018, tem realizado uma série de aquisições para reunir todas as tecnologias necessárias para a “robotização” e digitalização de armazéns e fábricas modernos.

Fonte: Zebra

Atualmente, os principais segmentos da empresa são comércio eletrônico & varejo e transporte/logística, seguidos por manufatura.

Fonte: Zebra

À medida que os robôs se tornam cada vez mais o centro do comércio eletrônico e da logística, os sistemas de rastreamento da Zebra estão em maior demanda.

Até agora, ainda é necessário preparar o espaço para robôs relativamente grandes.

Se um microrobô que pesa apenas algumas dezenas de gramas puder agora circular e escanear etiquetas RFID, poderemos em breve ver o monitoramento contínuo de todas as atividades em um chão de fábrica ou armazém sendo manejado autonomamente, através de um enxame de drones semelhantes a abelhas.