Dierenhersenen game-changer voor autonome robots

24 mei 2024
AI
Nieuws

Kunstmatige intelligentie heeft een grote capaciteit om autonome robots de intelligentie te geven die nodig is voor praktische toepassingen. De huidige AI is echter afhankelijk van diepe neurale netwerken waarvoor aanzienlijke rekenkracht nodig is. Een onderzoekteam van de TU Delft heeft onlangs een drone ontwikkeld die zelfstandig kan vliegen door zogeheten neuromorfe beeldbewerking en besturing die zijn gebaseerd op de werking van dierenhersenen en minder kracht verbruiken.

Neuromorfe processoren zijn daarom zeer geschikt voor kleine drones omdat er geen zware en grote hardware en batterijen voor nodig zijn. Het blijkt dat dierenhersenen minder energie gebruiken dan de huidige diepe neurale netwerken die op Graphics Processing Units (GPU's, grafische chips) draaien. De testresultaten zijn veelbelovend. Tijdens de vlucht verwerkt het diepe neurale netwerk van de drone op neuromorfe technologie data tot 64 keer sneller en verbruikt het drie keer minder energie dan bij gebruik van een GPU. Verdere ontwikkelingen van deze technologie kunnen de sprong mogelijk maken voor drones om net zo klein, wendbaar en slim te worden als vliegende insecten of vogels. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Science Robotics.

Inspiratie van dierenhersenen

Dierenhersenen verwerken informatie op een manier die heel anders is dan de neurale netwerken die op GPU's draaien. Biologische neuronen verwerken informatie asynchroon en communiceren voornamelijk via elektrische pulsen, die in het Engels ‘spikes’ worden genoemd. Omdat het versturen van dergelijke spikes energie kost, minimaliseren de hersenen het spiken, wat leidt tot spaarzame verwerking.

Geïnspireerd door deze eigenschappen van dierenhersenen worden nieuwe, neuromorfe processoren ontwikkeld door wetenschappers en technologiebedrijven. "Terwijl digitale spikende neuronen alleen hele getallen hoeven op te tellen, moeten standaard neuronen kommagetallen vermenigvuldigen en optellen. Dit maakt spikende neurale netwerken sneller en energiezuiniger. Mensen vinden het immers ook veel makkelijker om 5 + 8 te berekenen dan om 6.25 x 3.45 + 4.05 x 3.45 te berekenen?”, zegt promovendus en een van de auteurs van het artikel, Jesse Hagenaars.

Neuromorfe camera’s

De energie-efficiëntie wordt verder verhoogd als neuromorfe processoren worden gebruikt in combinatie met neuromorfe sensoren, zoals neuromorfe camera's. Dergelijke camera's maken geen beelden op een vast tijdsinterval. In plaats daarvan zendt elk pixel alleen een signaal uit wanneer het helderder of donkerder wordt. De voordelen van dergelijke camera's zijn dat ze beweging veel sneller kunnen waarnemen, energiezuiniger zijn en goed functioneren in zowel donkere als heldere omgevingen. Bovendien kunnen de signalen van neuromorfe camera's rechtstreeks worden gevoed aan spikende neurale netwerken die draaien op neuromorfe processoren. Samen kunnen deze technologieën de ontwikkeling van autonome robots mogelijk maken.

Over de generaties van de kunstmatige evolutie werden de spikende neurale netwerken steeds beter in besturing. Ze waren uiteindelijk in staat om een gesimuleerde drone in elke richting en met verschillende snelheden te vliegen. “We hebben beide modules getraind en een manier ontwikkeld waarmee we ze samen konden voegen. We waren blij te zien dat het samengevoegde netwerk onmiddellijk goed werkte op de echte robot”, zeggen de onderzoekers. Met zijn neuromorfe beeldbewerking en besturing is de drone in staat om met verschillende snelheden te vliegen onder variërende lichtomstandigheden, van donker tot helder.

Toekomstige toepassingen

Neuromorfe AI maakt volgens de onderzoekers alle autonome robots intelligenter. "Maar het is een absolute game-changer voor kleine autonome robots. Aan de Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft werken we aan kleine autonome drones die kunnen worden gebruikt voor toepassingen variërend van het monitoren van gewassen in kassen tot het bijhouden van voorraden in magazijnen. De voordelen van kleine drones zijn dat ze zeer veilig zijn en kunnen navigeren in nauwe ruimtes zoals tussen rijen tomatenplanten. Bovendien kunnen ze zeer goedkoop zijn, zodat ze in zwermen kunnen worden ingezet. Dit is nuttig om snel een gebied te verkennen, zoals we nodig is voor het redden van mensen of snel lokaliseren van een gaslek”, licht hoogleraar bio-geïnspireerde drones, Guido de Croon, toe.

Drone in de zorg

De inzet van drones neemt toe. Niet alleen bij particulieren en bedrijven, maar ook in de zorg worden ze steeds vaker ingezet. Vorige zomer heeft het Albert Schweizer Ziekenhuis een testvlucht uitgevoerd met drones tussen het ziekenhuis en het magazijn van de zorginstelling. Ook het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG) heeft onderzocht of medische drones kunnen worden ingezet om de zorg nog dichter bij de patiënt te brengen. Hiervoor heeft het UMCG zich aangesloten bij het Medical Drone Service.