Drony uczą się nawigacji od pszczół. Nowy system działa bez GPS-u

👁 134 przeczytań

Lot na miarę pszczoły

Naukowcy od dawna wiedzieli, że pszczoły miodne są mistrzami nawigacji. Owady te potrafią oddalić się od ula na kilka kilometrów, a potem bezbłędnie wrócić. Sekret tkwi w tak zwanych lotach uczących się - krótkich, charakterystycznych manewrach, podczas których pszczoła zapamiętuje wygląd okolicy z różnych perspektyw. Teraz zespół badaczy postanowił podpatrzeć tę strategię i przenieść ją do świata robotyki.

Efektem jest system nazwany

„Bee-Nav”

, którego działanie opisano na łamach

Nature

. W przeciwieństwie do typowych metod nawigacji, które wymagają skomplikowanych algorytmów i dużej mocy obliczeniowej, Bee-Nav opiera się na zaskakująco prostej sieci neuronowej. Jak tłumaczą autorzy publikacji, sieć jest trenowana na podstawie obrazów sferycznych - tak, by na podstawie widoku otoczenia wyznaczyć wektor prowadzący do domu.

„W symulacjach wykazaliśmy, że przy realistycznej dokładności integracji toru sieć neuronowa wymaga treningu na zaledwie około 0,25-10% całkowitego obszaru lotu” - czytamy w artykule.

To kluczowa różnica w porównaniu z konwencjonalnymi metodami SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), które muszą „przelatywać” i zapamiętywać każdy skrawek terenu.

Mały mózg, wielki zasięg

Najbardziej imponujące w Bee-Nav jest to, jak mało zasobów potrzebuje do działania. W testach w rzeczywistych warunkach - zarówno wewnątrz budynków, jak i na zewnątrz - mały dron wyposażony w ten system radził sobie znakomicie. W przypadku lotów o długości od 30 do 110 metrów, maszyna wracała do punktu startu z dokładnością do 0,5 metra w 100% prób. Nawet przy dłuższych dystansach, sięgających 200-600 metrów, i przy wietrznej pogodzie, skuteczność wynosiła 70%.

Co więcej, sieć neuronowa używana w tych lotach zajmowała zaledwie

3,4 kilobajty

pamięci. Dla porównania: jedno zdjęcie z przeciętnego smartfona to około 2-5 megabajtów, czyli tysiąc razy więcej. Wersja przystosowana do dłuższych dystansów potrzebowała 42 kB - wciąż ułamek tego, co zużywają tradycyjne systemy.

Nawigacja bez GPS-u

Dlaczego to takie ważne? Współczesne drony i roboty mobilne w dużej mierze polegają na GPS-ie. Sygnał satelitarny nie dociera jednak wszędzie - zawodzi w gęstej zabudowie, w tunelach, w lasach czy wewnątrz budynków. Systemy wizyjne, które mogłyby go zastąpić, są zwykle zbyt ciężkie i energochłonne, by zamontować je na małych, lekkich platformach.

Bee-Nav rozwiązuje ten problem. Dzięki inspiracji biologią udało się stworzyć system lekki, tani energetycznie i nie wymagający stałego połączenia z zewnętrzną infrastrukturą. To otwiera drzwi do nowej generacji mikrodronów zdolnych do autonomicznych misji w trudno dostępnych miejscach - od inspekcji rurociągów, przez poszukiwania w gruzowiskach, po monitorowanie upraw.

Co to mówi o pszczołach?

Odkrycie ma znaczenie wykraczające poza robotykę. Jak podkreślają autorzy, Bee-Nav rzuca nowe światło na neuroetologię owadów - czyli na to, jak ich maleńkie mózgi radzą sobie z tak złożonym zadaniem, jakim jest nawigacja. Dotychczas sądzono, że pszczoły mogą posługiwać się swego rodzaju „mapą poznawczą” okolicy. Nowe wyniki sugerują, że wystarczy im znacznie prostszy mechanizm: zapamiętanie kilku kluczowych widoków i umiejętność przełożenia ich na kierunek lotu.

To z kolei może pomóc w zrozumieniu, jak ewoluowały systemy nawigacyjne u innych zwierząt - od ptaków po ssaki. Być może natura od dawna stosuje zasadę „mniej znaczy więcej”, którą my dopiero zaczynamy odkrywać.

Kierunek: przyszłość

Zespół badawczy zapowiada dalsze prace nad udoskonaleniem Bee-Nav. Planowane jest między innymi zwiększenie odporności systemu na zmienne warunki oświetleniowe oraz rozszerzenie go o możliwość omijania przeszkód. Jeśli te plany się powiodą, możemy spodziewać się, że wkrótce na rynku pojawią się drony, które będą nawigować… jak pszczoły. I to dosłownie.