Foto: Guido de Croon © Marike van Pagée
Drones zijn bijvoorbeeld essentieel voor precisielandbouw, en die nauwkeuriger manier van gewassen telen is weer beter voor het milieu en zorgt tegelijk voor hogere opbrengsten. Op akkers worden al drones ingezet voor het vroegtijdig ontdekken van plagen of te droge of natte plekken. Daar kan dan heel lokaal tegen worden opgetreden. Maar in de kassen van een tuinderij is het vliegen met zo’n grote drone veel lastiger, alleen al vanwege het gevaar dat die botst met iemand die daar aan het werk is. Microdrones kunnen daar een uitkomst in bieden.
Maar zwermen met microdrones kunnen bijvoorbeeld ook heel efficiënt zoeken naar gaslekken in industriële omgevingen of de situatie in kaart brengen na een ramp. Microdrones vormen in zo’n situatie geen gevaar met hun gewicht van tien tot vijftien gram en hun omvang van enkele centimeters.
Guido de Croon, hoogleraar Bio-inspired Micro Air Vehicles zoekt met zijn groep naar manieren om deze drones van intelligentie te voorzien, zodat ze nagenoeg kunnen opgaan in de omgeving en zelfstandig hun werk doen. Dat is een behoorlijke uitdaging, maar niet onmogelijk. Tenslotte doen de kleinste insecten de hele dag niet anders. Bijen zijn bijvoorbeeld bijen in staat complexe sociale structuren te onderhouden en te navigeren over vele kilometers.
Verleden
De ontwikkeling van microdrones is al veel langer een onderzoeksonderwerp bij de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft. Maar zo’n vijftien jaar nam De Croon zijn ideeën – opgedaan in tijdens promotie aan de Universiteit Maastricht – mee naar Delft om de besturing van de microdrones over te laten aan kunstmatige intelligentie. Zeker in die tijd probeerden roboticaspecialisten dergelijke complexe problemen te modelleren en dan in een robot te stoppen. “Dan krijg je dat de complexiteit van het probleem ook in ‘het brein’ komt te zitten.”
Het gevolg is dat er veel rekenkracht voor nodig is om ‘het brein’ de taken te laten uitvoeren.
Die rekenkracht en de bijbehorende energie kun je niet in een microdrone onderbrengen. “Maar dat hoeft natuurlijk helemaal niet. Neem een mugje. Dat kan vliegen. De aerodynamica is enorm complex. Maar de mug begrijpt die aerodynamica niet. Die weet wat hij moet doen met zijn vleugeltjes om in de lucht te blijven.”
Dat principe toepassen bij kunstmatige intelligentie, pikte De Croon op in Zwitserland waar hij voor zijn promotie een half jaar aan de Technische Hogeschool van Lausanne (EPFL) werkte aan evolutionaire robotica. “Het leuke daaraan is dat als je het brein niet zelf ontwerpt, maar je laat de evolutie het doen, de oplossing vaak heel efficiënt is. De robot gebruikt dan bijvoorbeeld het lichaam of de omgeving om taken makkelijker te maken. En dat is wat ook in de natuur gebeurt. Robots moeten uiteindelijk net als dieren tijdens hun leven leren” Mensen zijn zich bijvoorbeeld niet bewust van hoe ze hun vingers bewegen. Maar we hebben als baby geleerd ze te gebruiken door ze te bewegen en daar uren gefascineerd naar te kijken.
Heden
Een microdrone moet zo licht mogelijk zijn. Waar autonome auto’s vol kunnen zitten met sensortechnologie, scheelt het veel gewicht en energie om een microdrone met zo min mogelijk sensoren uit te rusten. Bovendien, uit biologisch onderzoek blijkt bijvoorbeeld dat insecten ook geen versnelling en zwaartekracht kunnen ‘voelen’. Toch kan een bij perfect op een bloemetje landen zelfs in winderig weer. “Ze doen dat grotendeels op zicht met een mechanisme dat biologen ‘optische expansie’ noemen. Als je ergens dichterbij komt, wordt het object groter. Als je het tempo van expansie gelijk houdt, maak je vanzelf een zachte landing omdat je steeds langzamer gaat.”
Het implementeren van dat mechanisme in een besturingssysteem leverde De Croon wel een probleem op.
“Vlak boven de grond gaat het systeem ‘oscilleren’.” Dat is zeg maar schommelen tussen omhoog en omlaag bewegen. Het reageert dan te sterk op de snelle optische expansie en remt dan de daling. Dat zorgt dan weer voor een snelle afname van de expansie, waardoor het systeem de daling weer wil versnellen.
De bevinding bleek te passen bij een fenomeen dat biologen ook herkenden. Een bij houdt tijdens een landing ook altijd even in op circa 7 centimeter van haar doel. Dat is het moment dat wordt overgeschakeld op een ander naderingsmechanisme en gaan iets later de pootjes uit. Zo kon het werk aan microdrones een verklaring geven voor een biologisch fenomeen. Dit werk deed De Croon overigens gedeeltelijk bij het European Space Agency (ESA) waar hij een aantal jaar werkte aan het autonoom laten landen van ruimtevaartuigen.
Maar hoe er ook gewerkt wordt aan efficiëntere manieren van besturing , toch is er behoefte aan meer rekenkracht in de microdrone. Daarom werkt de groep van De Croon ook aan nieuwe oplossingen op basis van spiking neural networks. In tegenstelling tot de chips die in computers, telefoons en auto’s zitten, werken deze processoren niet klokgebaseerd maar concentreren hun activiteit in pieken waardoor ze heel snel kunnen reageren. Tussen de pieken verbruiken ze nagenoeg geen stroom wat ze heel efficiënt maakt. Deze aanpak is ook weer afgekeken van hoe de signaalverwerking in een natuurlijk brein werkt.
De Croon werkt voor dit project nauw samen met de groep van Sander Bohté van het Centrum Wiskunde & Informatica die leeralgoritmen ontwikkeld voor spiking neural networks, en met het Belgische imec-instituut dat de bijbehorende hardware ontwikkelt. “Voor mijn groep zit dan de uitdaging in hoe je zo’n drone moet besturen met zo’n spiking net. Wij waren de eerste ter wereld die zo’n neuromorphic processor hebben gebruikt om een drone te besturen tijdens een vlucht.”
De industrie is erg geïnteresseerd in de ontwikkeling van autonome microdrones, zegt de Croon. Toch is het marktrijp maken nog wel een probleem. “Wij maken een prototype, maar om van daar te komen tot een product dat bijvoorbeeld een kassenbedrijf kan kopen, zit nog een stap waar een redelijk grote investering voor nodig is. Er zijn wel een paar startups in Nederland mee bezig, maar ik hoop gewoon dat ze genoeg funding kunnen vinden hier.”
Toekomst
De Croon verwacht dat die spiking neural networks de komende jaren echt heel belangrijk gaan worden. “We hebben dus in onze experimenten laten ook zien dat de aanpak heel snel is en heel energie-efficiënt. Dus als we grotere intelligentie kunnen geven aan kleine robots kunnen we dichter bij de intelligentie van insect komen. Bijen kunnen bijvoorbeeld ook gezichten herkennen en kunnen echt over kilometers navigeren, terug naar hun nest. Dat zijn dingen, die wil ik in de komende jaren oplossen. Dat is echt een beetje de next frontier.”
