Kennis van mieren leidt tot doorbraak in robotnavigatie

Drone-onderzoekers van de TU Delft lieten zich inspireren door biologisch onderzoek over hoe mieren hun omgeving visueel herkennen en hun stappen zorgvuldig tellen om zo veilig thuis te komen. Gewapend met dit inzicht creëerden ze een op insecten geïnspireerde autonome navigatiestrategie voor kleine, lichtgewicht robots. Met deze strategie komen deze robots na een lange tocht gewoon weer thuis, en dat met zeer weinig rekenkracht en geheugen (1,16 kilobyte per 100 m).

In de toekomst zouden minuscule autonome robots ingezet kunnen worden voor een breed scala aan toepassingen, van het bijhouden van voorraden in magazijnen tot het opsporen van gaslekken in de industrie. Op 17 juli 2024 hebben de onderzoekers hun bevindingen gepubliceerd in Science Robotics.

Kleine robots, met een gewicht van tientallen tot een paar honderd gram, hebben talloze interessante praktische toepassingen. Door hun lichte gewicht zijn ze extreem veilig, zelfs als ze per ongeluk tegen iemand opbotsen. En dankzij hun geringe grootte, schuwen ze ook de kleine ruimte niet.

Het grootste obstakel is dan ook dat dit soort robots zelf moeten kunnen navigeren om hun taken uit te voeren. Om dit probleem op te lossen, kunnen de robots hulp krijgen van externe infrastructuur. Zo kunnen ze buiten gebruik maken van GPS-satellieten of binnen van draadloze communicatiebakens. Het is echter vaak niet wenselijk om afhankelijk te zijn van dergelijke infrastructuur: binnen heb je geen GPS, en in volgebouwde omgevingen zoals moderne steden tussen hoge gebouwen is het dikwijls nogal onnauwkeurig. Het alternatief van het installeren en onderhouden van bakens is daarentegen vrij duur of simpelweg niet mogelijk, bijvoorbeeld bij reddingsoperaties.

De AI die doorgaans wordt gebruikt voor autonome navigatiemet de sensoren en rekenkracht op de robot zelf is in principe ontworpen voor grote robots, zoals zelfrijdende auto's. Deze aanpakken zijn gebaseerd op zware, energieslurpende sensoren zoals LiDAR-afstandsmeters, die niet eens gedragen kunnen worden door kleine robots. Een andere optie is het gebruiken van een zeer energiezuinige zichtsensor die rijke informatie over de omgeving levert als basis voor zeer gedetailleerde 3D-kaarten. Hiervoor is echter veel rekenkracht en geheugen nodig, en de bijbehorende computerapparatuur is te groot en verbruikt te veel energie voor zulke kleine robots.

De voorgestelde op insecten geïnspireerde navigatiestrategie stelde een 56 gram wegende CrazyFlie drone, uitgerust met een omnidirectionele camera, in staat om afstanden tot 100 meter af te leggen met slechts 1,16 kB aan geheugen. Alle berekeningen werden gedaan op een piepkleine computer, een zogeheten microcontroller, die in veel goedkope elektronische apparaten te vinden is.