Hemfärd – Hur myror inspirerar AI-baserad robotik

Navigera som myror

Vi vet att insekter inte är särskilt smarta i mänsklig bemärkelse. Trots sina begränsningar kan de utföra anmärkningsvärda bedrifter i organisation och orientering. Detta gör dem till en inspiration för forskare som arbetar med mikrorobotar och lätta drönare, vilka står inför liknande begränsningar.

Till exempel kan ökenmyran Cataglyphis samla föda över långa avstånd och sedan gå rakt tillbaka till sitt bo, med resor på upp till 1 km.

Den låga bärkapaciteten samt den tillgängliga energin innebär att lösningar som används av tyngre autonoma system som självkörande bilar inte kan användas. Till exempel är LIDAR (“laser radar”) utmärkt för att skapa 3D‑kartor av omgivningen, men de är för tunga och energikrävande. De kräver också mycket beräkningskraft, vilket i sin tur kräver mycket minne och processorkraft som också är energikrävande och tunga.

Fyrar och GPS‑signaler är alternativ, men de kräver dyra installationer, kan vara opålitliga eller är rentav omöjliga. Så att förstå hur insekter som myror och bin lyckas navigera världen med endast den mest begränsade “hårdvaran” och energiförsörjningen kan hjälpa oss att reproducera det i våra egna robot‑ och drönarkreationer.

Detta är den allmänna idén med att använda bio‑inspirerade robotar, ett ämne vi utforskade vidare med bläckfisk‑, salamander‑, orm‑ och hund‑inspirerade robotar i vår artikel “How Robotics Can Take a Cue From Nature”.

Varför använda mikrorobotar?

Små robotar och drönare är billigare att bygga och kan täcka fler ytor samtidigt för samma kostnad. Genom att vara mindre kan de också observera saker i större detalj utan att riskera kollision med omgivningen. Till exempel flyger de inuti ett växthus och skannar efter tidiga tecken på sjukdomar eller skadedjur på plantorna.

Eller så kan de användas i sök‑ och räddningsuppdrag, undersöka ruiner eller vildmark för personer som behöver hjälp. Sådana svärmar av robotiska “fåglar/myror/drakflugor” skulle exempelvis snabbt kunna upptäcka överlevande efter en jordbävning.

Källa: TU Delft

Hur myror navigerar i världen

En metod är att använda synen, något insekter är särskilt bra på eftersom de har ett nästan omnidirektionellt visuellt system (ser i alla riktningar samtidigt). Denna syn har dock relativt låg upplösning.

Vissa av de äldsta och mest etablerade teorierna om hur insekter använder syn för att orientera sig finns i “snapshot‑modellen”.

Idén är att insekts‑hjärnan regelbundet tar ögonblicksbilder av sin omgivning. När den behöver navigera tillbaka “hem” jämför den den aktuella omgivningen med nyligen lagrade ögonblicksbilder.

Detta koncept är nu väl förstått på neuronivå. Så det kan relativt enkelt replikeras i robotar.

I teorin skulle denna metod ensam kunna räcka. Men i praktiken lider den av några begränsningar:

• För att fungera väl krävs en mycket tät sekvens av ögonblicksbilder, där även en enda saknad bild kan leda till desorientering och potentiellt att roboten blir helt vilse.
• Eftersom den kräver många ögonblicksbilder skulle den bli överväldigande både för myr‑hjärnor och robotars minne.

Lägga till odometri

En annan metod som myror och insekter i allmänhet använder är att hålla reda på sin rörelse, en metod som kallas odometri. Detta är också en metod som används i robotik, men problemet är bristen på precision. Varje steg uppskattas från rörelsesensorer (eller subjektiv perception i myrornas fall), men återspeglar aldrig exakt den faktiska rörelsen.

Detta ledde till en progressiv drift i noggrannheten för den odometri‑baserade uppskattningen av den aktuella platsen, som blir alltmer inexakt över tid.

Att kombinera de två metoderna var den avgörande insikten för forskare vid TU Delft i Nederländerna. I en vetenskaplig artikel kallad “Visual route following for tiny autonomous robots” kombinerade de både visuella ögonblicksbilder och odometri för att öka mikrorobotarnas autonomi.

Större prestanda

Detta gjorde det möjligt för roboten att regelbundet återställa odometri‑driften när den återfann en av sina landmärkes‑ögonblicksbilder.

Källa: Science Robotics

Samtidigt minskar beroendet främst på odometri kravet på ultranära ögonblicksbilder, vilket ger mikrorobotarna möjlighet att röra sig snabbare mellan punkter utan att hela tiden behöva kontrollera visuella ledtrådar för sin bana.

“Den huvudsakliga insikten bakom vår strategi är att du kan placera ögonblicksbilder mycket längre ifrån varandra om roboten färdas mellan dem baserat på odometri.

Hemfärd fungerar så länge roboten hamnar tillräckligt nära ögonblicksbildens plats, dvs så länge robotens odometri‑drift faller inom ögonblicksbildens insamlingsområde.”

Professor Guido de Croon.

Forskarteamet använde sin nya orienteringsprogramvara som kombinerade ögonblicksbilder och odometri för att testa hur lite data som kunde användas för att orientera en robot som väger endast 56 g över 100 m.

Källa: Science Robotics

Den kan vara extremt liten, endast 1,16 kilobyte. För referens är en genomsnittlig bild tagen med en smartphone i tusentals kilobyte per bild, och de flesta online‑bilder ligger i tiotals eller hundratals kilobyte.

Ännu bättre är att all bildbehandling kan utföras av en lättviktig mini‑dator kallad “mikrokontroller”, som finns i många billiga elektroniska enheter.

Tillämpningar

Industri

Sådana mikrorobotar och drönare kommer att ha mycket begränsad databehandlingskapacitet, där den största delen av den ombordstående mikrokontroller‑processorkraften är upptagen med att hantera navigation och datainsamling.

Dessa drönare skulle dock kunna användas för att spåra lager i lagerhus eller övervaka grödor i växthus. Det skulle fungera genom att låta dem gå eller flyga runt och samla in data som bilder, streckkoder eller RFID‑taggar. Denna datapunkt kan sparas på ett litet SD‑kort.

Dessa inspelningar skulle sedan överföras till en större dator eller server som kan efterbehandla och omvandla dem till användbar data.

Militär

Ett annat sannolikt tillämpningsområde kan vara militär teknik, särskilt med tanke på den växande betydelsen av drönare på den moderna slagfältet, som illustreras av kriget i Ukraina.

Små flygande drönare som är lätta nog att få plats i en infanteris ryggsäck kan skickas framåt för spaning och föra tillbaka bilder på fiendens positioner till skyddade soldater.

Eftersom området sannolikt kommer att vara kraftigt störda av elektronisk krigföring (EW) och i ständigt föränderliga områden, blir autonom navigation av drönarna ett måste. Lättvikt och låg energiförbrukning kommer sannolikt också att bli nyckelfunktioner. I den forskning som diskuteras här kunde en drönare navigera en bana på 300 m i en simulerad skogsmiljö.

Källa: Flir

Ytterligare forskning

Strategin att kombinera odometri och ögonblicksbilder är mycket effektiv och kan göras ännu mer effektiv genom att förbättra precisionen i odometern. Algoritmen som används kan också sannolikt justeras för att bli ännu mer minnes‑ och energisnål.

En annan förbättring skulle vara att lägga till robotens krock‑undvikande förmågor, särskilt eftersom den redan har en omnidirektionell syn.

En lösning måste fortfarande hittas för när roboten ändå blir vilse. Till exempel föreslår forskarna att “roboten skulle kunna uppskatta insamlingsområdets storlek i realtid och utrustas med en sökprocedur när den förlorar rutten“.

Detta förfarande är särskilt lämpat för små robotar som vanligtvis har problem med navigation med andra metoder. Men det skulle kunna börja tillämpas på större robotar också, för att minska behovet av dyr utrustning som LIDAR samt minska beräknings‑ och energikrav.

Droner & robotföretag

1. AutoStore Holdings Ltd. (AUTO.OL)

Autonoma fordon som självkörande bilar kan vara runt hörnet, men de har varit en svår teknik att utveckla, även för teknikledare som Google och Tesla. Men det finns en sektor som redan revolutioneras av autonom körning och robotik: logistik.

Den norska AutoStore tillhandahåller automatiserade lager för industrier så olika som läkemedel, kläder, livsmedel, flyg, logistik eller industriella tillverkare. Klädes‑, industri‑ och tredjepartslogistikföretag utgör de tre största segmenten i AutoStores verksamhet.

Företagets lager förlitar sig på autonoma robotar som kan identifiera och plocka upp paket eller produkter och transportera dem dit de ska. Du kan se dem i aktion i den här videon:

Företaget expanderar snabbt, tack vare att allt fler stora företag inser fördelen med att skapa mer effektiva, resilienta och snabbare logistiska system efter pandemin. I genomsnitt tar det bara 1‑3 år för investeringen i autonoma lager att betala tillbaka den initiala kostnaden.

AutoStore är aktivt i 50 länder, med 58 500 robotar för 900 olika kunder. Företaget har ökat sina intäkter med 50 % CAGR sedan 2017. Detta är 2‑3 × snabbare än den automatiserade lagermarknadens årliga tillväxt, som uppskattas till 15 %.

Källa: AutoStore

Precis som många europeiska teknikföretag erbjuder AutoStore mycket avancerade lösningar som också är något osynliga för den breda allmänheten.

De flesta lager kommer att gå mot automatisering. Ledare i denna sektor kommer sannolikt att överträffa sektortillväxten, eftersom det är logiskt att förlita sig på leverantören som kan distribuera dessa lösningar i skala och till ett lägre pris.

Robotar som är mer autonoma och mer effektiva på att hitta sin väg kan både vara en möjlighet och ett hot för AutoStore. För närvarande måste du helt omdesigna ett lager för att använda företagets robotlösningar.

Framtida robotar skulle kunna hitta sin väg utan behov av det nuvarande rutnätet, vilket gör antagandet mycket enklare, mindre störande för pågående verksamhet och den initiala investeringen mycket mindre, vilket löser de fortfarande största hindren för massadoption av tekniken.

Källa: Autostore

2. Zebra Technologies Corporation (ZBRA)

Zebra Technologies (ZBRA ) producerar spårningsetiketter och skannrar som möjliggör övervakning av varje komponent i en “smart” fabrik. Det inkluderar mobila datorer, streckkodsskannrar, maskinsyn, lokaliseringsteknik, taggar och RFID (Radio‑frequency identification).

Denna nivå av datainsamling och analys är en nyckelkomponent i implementeringen av robotik, särskilt av den mer mobila och flexibla sorten, från en produktionslinje.

Företaget har varit i framkant för populariseringen av streckkoder och har sedan 2018 varit på en förvärvsvåg för att samla alla teknologier som krävs för “robotiseringen” och digitaliseringen av moderna lager & fabriker.

Källa: Zebra

För närvarande är företagets huvudsegment e‑handel & detaljhandel samt transport/logistik, följt av tillverkning.

Källa: Zebra

Eftersom robotar blir alltmer centrala i e‑handel och logistik ökar efterfrågan på Zebra‑spårningssystem.

Hittills krävs det fortfarande att man förbereder platsen för relativt stora robotar.

Om en mikrorobot som väger endast några tiotals gram nu kan gå runt och skanna RFID‑taggar, kan vi snart se kontinuerlig övervakning av alla aktiviteter på en fabriksgolvet eller i ett lager hanteras autonomt, genom en svärm av bi‑liknande drönare.