Ecco il micro robot che si riesce a orientare imitando gli insetti

Come fanno gli insetti ad andare così lontano dalla loro casa e a trovare comunque la strada? La risposta a questa domanda non è rilevante solo per la biologia, ma anche per la creazione dell’intelligenza artificiale di piccoli robot autonomi.

I ricercatori di droni della TU Delft, l’università tecnologica di Delft, si sono ispirati alle scoperte biologiche sul modo in cui le formiche riconoscono visivamente il loro ambiente e lo combinano con il conteggio dei loro passi per tornare a casa in sicurezza.

Hanno utilizzato queste intuizioni per creare una strategia di navigazione autonoma ispirata agli insetti per robot piccoli e leggeri. La strategia consente a questi robot di tornare a casa dopo lunghe traiettorie, pur richiedendo un calcolo e una memoria estremamente ridotti (0,65 kiloByte per 100 m).

In futuro, i piccoli robot autonomi potrebbero trovare un’ampia gamma di impieghi, dal monitoraggio delle scorte nei magazzini alla ricerca di perdite di gas nei siti industriali. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati su Science Robotics, il 17 luglio 2024.

Il mini robot realizzato dall’università di Defl

I robot minuscoli, da decine a poche centinaia di grammi, hanno il potenziale per interessanti applicazioni nel mondo reale. Grazie al loro peso ridotto, sono estremamente sicuri anche se urtano accidentalmente qualcuno. Essendo piccoli, possono navigare in aree strette. E se possono essere realizzati a basso costo, possono essere impiegati in numero maggiore, in modo da coprire rapidamente una vasta area, ad esempio nelle serre per il rilevamento precoce di parassiti o malattie.

Tuttavia, far funzionare da soli questi minuscoli robot è difficile, perché rispetto ai robot più grandi hanno risorse estremamente limitate. Un ostacolo importante è che devono essere in grado di navigare da soli. Per questo i robot possono farsi aiutare da infrastrutture esterne. Possono utilizzare le stime di posizione dei satelliti GPS all’esterno o dei beacon di comunicazione wireless all’interno.

Tuttavia, spesso non è auspicabile affidarsi a tali infrastrutture. Il GPS non è disponibile in ambienti chiusi e può diventare molto impreciso in ambienti ingombri come i canyon urbani. Inoltre, l’installazione e la manutenzione dei beacon negli spazi interni è piuttosto costosa o semplicemente non possibile, ad esempio negli scenari di ricerca e salvataggio, senza considerare che utilizzano  energia.

Mini drone da 56 grammi !

L’AI necessaria per la navigazione autonoma con le sole risorse di bordo è stata realizzata pensando a robot di grandi dimensioni, come le auto a guida autonoma. Alcuni approcci si basano su sensori pesanti e avidi di energia, come i ranger laser LiDAR, che non possono essere trasportati o alimentati da piccoli robot. Altri approcci utilizzano il senso della vista, che è un sensore molto efficiente dal punto di vista energetico che fornisce informazioni ricche sull’ambiente.

Tuttavia, questi approcci cercano in genere di creare mappe 3D altamente dettagliate dell’ambiente. Ciò richiede grandi quantità di elaborazione e di memoria, che possono essere fornite solo da computer troppo grandi e affamati di energia per i piccoli robot.

Contare i passi e usare tracce visive

Ecco perché alcuni ricercatori si sono rivolti alla natura per trovare ispirazione. Gli insetti sono particolarmente interessanti perché operano su distanze che potrebbero essere rilevanti per molte applicazioni del mondo reale, pur utilizzando risorse di rilevamento e di calcolo molto scarse. I biologi hanno una comprensione crescente delle strategie di base utilizzate dagli insetti. In particolare, gli insetti combinano il monitoraggio del proprio movimento (definito “odometria”) con comportamenti visivamente guidati basati sul loro sistema visivo a bassa risoluzione, ma quasi omnidirezionale (definito “memoria di visione”).

Mentre l’odometria è sempre più ben compresa fino al livello neuronale, i meccanismi precisi alla base della memoria visiva sono ancora meno conosciuti. Una delle prime teorie sul funzionamento propone un modello ‘istantaneo’. In esso, si propone che un insetto come una formica faccia occasionalmente delle istantanee del suo ambiente. In seguito, quando arriva vicino all’istantanea, l’insetto può confrontare la sua percezione visiva attuale con l’istantanea e muoversi per minimizzare le differenze. Questo permette all’insetto di navigare, o di ‘tornare a casa’, verso la posizione dell’istantanea, eliminando la deriva che inevitabilmente si accumula quando si esegue solo l’odometria.

“La navigazione basata sulle istantanee può essere paragonata al modo in cui Hansel cercava di non perdersi nella favola di Hansel e Gretel. Quando Hans gettava pietre sul terreno, riusciva a tornare a casa. Tuttavia, quando gettava briciole di pane che venivano mangiate dagli uccelli, Hans e Gretel si perdevano. Nel nostro caso, le pietre sono le istantanee”, afferma Tom van Dijk, primo autore dello studio, “Come per le pietre, affinché un’istantanea funzioni, il robot deve essere abbastanza vicino al luogo dell’istantanea. Se l’ambiente visivo circostante diventa troppo diverso da quello della posizione dell’istantanea, il robot potrebbe muoversi nella direzione sbagliata e non tornare più indietro. Pertanto, è necessario utilizzare un numero sufficiente di istantanee – o nel caso di Hansel far cadere un numero sufficiente di pietre. D’altra parte, far cadere pietre troppo vicine l’una all’altra esaurirebbe le pietre di Hans troppo rapidamente. Nel caso di un robot, l’utilizzo di un numero eccessivo di istantanee comporta un grande consumo di memoria. I lavori precedenti in questo campo avevano in genere le istantanee molto vicine tra loro, in modo che il robot potesse prima tornare visivamente a un’istantanea e poi a quella successiva”.

La strategia di navigazione proposta, ispirata agli insetti, ha permesso a un drone “CrazyFlie” di 56 grammi, dotato di una telecamera omnidirezionale, di coprire distanze fino a 100 metri con solo 0,65 kiloByte di dati. Tutta l’elaborazione visiva avveniva su un minuscolo computer chiamato “micro-controller”, che si trova in molti dispositivi elettronici economici.

Questi micro robot si riveleranno utilissimi, ad esempio nel controllo dei magazzini o nell’ispezione di aree pericolose, oppure per giungere dove l’uomo non può arrivare ad esplorare. L’utilizzare un sistema di guida basato su fattori biologici permetterà di utilizzare questi robot con una raffinatezza prima impossibile. Alla fine la natura resta la migliore maestra.