Inspiratie van mieren leidt tot doorbraak in robotnavigatie

Heb je je ooit afgevraagd hoe mieren zich zo ver van hun nest kunnen wagen en toch altijd hun weg terugvinden? Onderzoekers van de TU Delft hebben deze vraag ook gesteld en vonden antwoorden die mogelijk een doorbraak betekenen voor robotnavigatie. Door de navigatiestrategieën van mieren te bestuderen, hebben ze een op insecten geïnspireerde methode ontwikkeld voor kleine, autonome robots. Deze strategie vereist minimale rekenkracht en geheugen, waardoor robots na lange reizen naar hun startpunt kunnen terugkeren.

Groots in kleinheid

Kleine robots, variërend van enkele tientallen tot een paar honderd gram, bieden vele praktische toepassingen. Door hun geringe gewicht zijn ze veilig bij botsingen en kunnen ze in kleine ruimtes opereren. Denk bijvoorbeeld aan robots die snel een groot gebied kunnen beslaan om vroegtijdig ziekten of plagen op te sporen in kassen. De grootste uitdaging is echter autonome robotnavigatie. Grote robots kunnen gebruikmaken van uitgebreide rekenkracht en sensoren, maar kleine robots moeten het doen met beperkte middelen.

Externe infrastructuren zoals GPS of draadloze bakens bieden soms hulp bij robotnavigatie, maar zijn niet altijd betrouwbaar of betaalbaar. Bijvoorbeeld, binnen gebouwen werkt GPS niet en in steden tussen hoge gebouwen is het vaak onnauwkeurig. Bovendien kan het installeren en onderhouden van bakens duur of onpraktisch zijn, vooral bij reddingsoperaties.

De AI-methoden die momenteel worden gebruikt voor autonome navigatie zijn ontworpen voor grotere robots met zware, energie-intensieve sensoren zoals LiDAR. Deze zijn niet geschikt voor kleine robots. Een andere optie is het gebruik van energiezuinige zichtsensoren, maar die vereisen veel rekenkracht en geheugen. Kleine robots hebben alleen toegang tot zeer kleine processors met beperkte capaciteit, waardoor autonome robotnavigatie een uitdaging blijft.

Stappen tellen en visuele broodkruimels

Onderzoekers van de TU Delft hebben zich tot de natuur gewend om deze uitdaging aan te pakken. Insecten, zoals mieren, gebruiken beperkte sensor- en rekenkracht om over relevante afstanden te navigeren. Biologisch onderzoek heeft aangetoond dat mieren hun bewegingen bijhouden (odometrie) en dit combineren met visueel gestuurd gedrag gebaseerd op omgevingsherkenning. Hoewel odometrie goed wordt begrepen, zijn de exacte mechanismen achter visueel gestuurd gedrag nog onduidelijk. Een veelgebruikte theorie is het momentopnamemodel, waarbij insecten visuele snapshots van hun omgeving maken en deze gebruiken om hun weg terug te vinden.

“Navigatie op basis van momentopnames werkt als het sprookje van Hans en Grietje,” legt onderzoeker Tom van Dijk uit. “Net als Hans die steentjes gebruikte om zijn weg terug te vinden, gebruiken robots visuele momentopnames. Het verschil is dat robots hun omgeving visueel vergelijken om hun positie te bepalen. Hierdoor kunnen ze met minimale middelen hun weg terugvinden.” Dit inzicht leidde tot de ontwikkeling van een navigatiestrategie waarbij robots minder momentopnames nodig hebben door gebruik te maken van odometrie tussen de opnames.

De voorgestelde methode stelde een 56 gram wegende “CrazyFlie” drone in staat om afstanden tot 100 meter af te leggen met slechts 1,16 kB geheugen. Alle berekeningen werden uitgevoerd door een kleine microcontroller, die in veel goedkope apparaten wordt gebruikt.

Robotnavigatie in de praktijk

“De op insecten geïnspireerde navigatiestrategie is een belangrijke stap richting de praktische toepassing van kleine autonome robots,” zegt Guido de Croon, hoogleraar bio-geïnspireerde drones. Hoewel de strategie beperkter is dan de nieuwste navigatietechnieken, kan deze voor veel toepassingen voldoende zijn. Robots kunnen bijvoorbeeld voorraadbeheer in magazijnen uitvoeren of gewassen in kassen monitoren door gegevens te verzamelen en terug te keren naar een basisstation. Ze kunnen toepassingsgerichte beelden opslaan op een kleine SD-kaart, die later door een server worden verwerkt.

De publicatie van deze bevindingen in Science Robotics is een belangrijke vooruitgang in het veld van robotnavigatie, geïnspireerd door de natuur.