TU Delft ontwikkelt autonome drone met kunstmatig dierenbrein

Een team van onderzoekers van de Technische Universiteit Delft heeft een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van autonome drones. Door gebruik te maken van neuromorfe beeldbewerking en besturing, gebaseerd op de werking van dierenhersenen, heeft het team een drone gecreëerd die veel efficiënter en energiezuiniger vliegt dan huidige drones die afhankelijk zijn van diepe neurale netwerken op GPU’s (grafische processoren).

Neuromorfe technologie: leren van dierenhersenen

Neuromorfe processoren imiteren de werking van biologische neuronen die asynchroon informatie verwerken en communiceren via energiezuinige elektrische pulsen, ook wel “spikes” genoemd. Dit minimaliseert het energieverbruik aanzienlijk, in tegenstelling tot de conventionele diepe neurale netwerken die complexe berekeningen uitvoeren en veel energie verbruiken.

Jesse Hagenaars, promovendus en een van de auteurs van de studie, legt uit: “De berekeningen uitgevoerd door spikende neurale netwerken zijn veel eenvoudiger dan die in standaard diepe neurale netwerken. Digitale spikende neuronen hoeven alleen hele getallen op te tellen, terwijl standaard neuronen kommagetallen moeten vermenigvuldigen en optellen.”

Efficiënter en sneller

De resultaten van de neuromorfe technologie zijn indrukwekkend. Tijdens de vlucht verwerkt het diepe neurale netwerk van de drone, gebaseerd op neuromorfe technologie, data tot 64 keer sneller en verbruikt het drie keer minder energie dan bij gebruik van een GPU. Dit maakt neuromorfe processoren ideaal voor kleine drones, omdat er geen zware en grote hardware en batterijen nodig zijn.

Een voorbeeld van de voordelen van neuromorfe sensoren is de neuromorfe camera. In tegenstelling tot traditionele camera’s die op vaste tijdsintervallen beelden maken, zendt elke pixel van een neuromorfe camera alleen een signaal uit wanneer het helderder of donkerder wordt. Dit resulteert in een veel snellere waarneming van beweging, energie-efficiëntie en goede prestaties in zowel donkere als heldere omgevingen.

Eerste drone met volledig neuromorfe besturing

In een artikel gepubliceerd in Science Robotics op 15 mei 2024, laten onderzoekers van de TU Delft zien hoe hun drone, uitgerust met de “Loihi” neuromorfe onderzoekschip van Intel, autonoom kan vliegen.

Federico Paredes-Vallés, een van de onderzoekers, vertelt over de uitdagingen en successen van het project: “De moeilijkste uitdaging was om een snel en effectief leerproces voor het spikende neurale netwerk te ontwikkelen. Uiteindelijk hebben we een netwerk ontworpen dat zelfstandig leert om beweging visueel waar te nemen en dit te koppelen aan stuurcommando’s, vergelijkbaar met hoe dieren zelfstandig leren.”

Dankzij zijn neuromorfe beeldbewerking en besturing kan de drone met verschillende snelheden vliegen onder variërende lichtomstandigheden, zelfs bij flikkerende lichten. De drone is in staat om zijn eigen beweging waar te nemen en in alle richtingen te besturen, wat een grote stap voorwaarts betekent voor de ontwikkeling van autonome robots.

Toekomstige toepassingen

De impact van deze technologie kan enorm zijn voor kleine autonome robots. Guido de Croon, hoogleraar bio-geïnspireerde drones, ziet tal van potentiële toepassingen: “Neuromorfe AI zal alle autonome robots intelligenter maken, maar het is een absolute game-changer voor kleine autonome robots. We werken aan kleine drones die kunnen worden ingezet voor het monitoren van gewassen in kassen en het bijhouden van voorraden in magazijnen. Deze drones zijn niet alleen veilig, maar kunnen ook navigeren in nauwe ruimtes en zijn goedkoop genoeg om in zwermen te worden ingezet.”

De bevindingen van het TU Delft-team kunnen leiden tot drones die net zo klein, wendbaar en intelligent zijn als vliegende insecten of vogels. Met verdere ontwikkelingen in neuromorfe hardware en uitbreiding van mogelijkheden naar complexere taken, zoals navigatie, lijkt volledige autonomie binnen handbereik.