Zelfstandig de weg van en naar huis vinden blijft lastig bij drones. Delftse onderzoekers zochten de oplossing in de natuur: bij de honingbij. ‘Ik dacht: dat is wat we nodig hebben.’
Zelfstandig de weg van en naar huis vinden blijft lastig bij drones. Delftse onderzoekers zochten de oplossing in de natuur: bij de honingbij. ‘Ik dacht: dat is wat we nodig hebben.’
Met een zoemend geluid stijgt de zwart-geel gestreepte drone op. Stap voor stap beweegt de robot zich door een grote testruimte in de faculteit luchtvaart- en ruimtevaarttechniek van de TU Delft. In eerste instantie lijkt er niets bijzonders aan de hand, maar volgens de makers heeft de robot een belangrijke stap in dronetechnologie aan boord. Vanachter een net buiten turen Delftse onderzoekers mee, handen op de rug. Aansturing is overbodig: deze drone bestuurt zichzelf.
Na een aantal keer zigzaggen laat de drone zich zakken en landt keurig op een houten rondje dat in het midden van de ruimte op de grond ligt. Guido de Croon, hoogleraar bio-geïnspireerde robotica aan de TU Delft, juicht en begint trots te klappen. ‘Precies op de thuisbasis!’, zegt hij, en geeft zijn promovendus Dequan Ou complimenten. Van de 100 vierkante meter in de testruimte landt de drone uitgerekend op deze stip. Hoe de drone weet dat daar haar thuis is, is niet te danken aan een gps-systeem, maar aan een nieuwe techniek. Deze drone navigeert met een eigen neuraal netwerk, gebaseerd op de methode van een honingbij.
De Croon leidt onderzoek voor het Micro-Air-Vehicle Lab aan de TU Delft. Daar werken wetenschappers – tevens de houders van een wereldrecord voor de lichtste en snelste drones – aan kleine drones die geen menselijke besturing nodig hebben. In de toekomst kunnen die robots bijvoorbeeld gewassen in kassen verzorgen, pakketjes leveren of magazijnen beheren. Een grote uitdaging is de navigatie: opgeslagen routes of 3D-kaarten kosten veel geheugen en batterij. Het maakt drones die zichzelf besturen zwaar, duur en energieslurpend.
Dat moet handiger kunnen, meende De Croon. Moeder Natuur gebruikt immers elegantere methodes om te navigeren. ‘Een honingbij kan 13 kilometer wegvliegen en terugkeren naar zijn korf, zonder gps’, vertelt De Croon. ‘Toen ik daarover hoorde dacht ik: dat is wat we nodig hebben voor onze drones.’ Bijen gebruiken geen routebeschrijving en onthouden geen kaart, maar navigeren met ‘odometrie’. Daarvoor registreren ze hoe snel het landschap voorbijtrekt en berekenen ze grofweg hoe ver en in welke richting ze zich hebben verplaatst.
Hoe verder een honingbij reist, hoe lastiger het is om met odometrie precies bij de korf te komen: een grotere afstand leidt tot een grotere foutmarge. Maar voordat de bij op pad gaat, vliegt het insect een verkenningsrondje rondom de korf. Biologen vermoeden dat hij tijdens dat rondje de nabije omgeving van zijn thuisbasis alvast registreert. Zo kan de honingbij, na een lange terugvlucht, de laatste stapjes naar huis terugvinden door bomen, struiken of sporen in de grond te herkennen.
Het Delftse navigatiesysteem, gedoopt tot ‘Bee-Nav’, werkt hetzelfde: voor de vlucht vliegt de drone een testrondje om de omgeving te leren kennen en tijdens de vlucht registreert ze hoe de grond onder haar beweegt. Dat alles wordt opgeslagen in een neuraal geheugen. Experimenten binnen en buiten, beschreven in vakblad Nature, tonen aan dat de op bijen geïnspireerde drones tot 600 meter afleggen en zelfstandig hun thuisbasis terugvinden.
‘Binnen werkt het goed en was honderd procent van de testvluchten succesvol’, zegt De Croon. ‘Buiten werd het moeilijker. Het systeem kan lastiger navigeren door een zonnestraal recht in de lens of harde wind.’ Afhankelijk van de windkracht vond daar 50 tot 70 procent van de drones de thuisbasis weer terug.
Opmerkelijk aan Bee-Nav is hoe efficiënt het neurale netwerk navigeert. ‘Voor de experimenten binnen gebruiken de drones een geheugen van maar 3,4 kilobyte’, zegt Roy de Kleijn, onderzoeker kunstmatige intelligentie aan de Universiteit Leiden en niet betrokken bij het project. ‘Dat is zeshonderd keer kleiner dan een foto op je telefoon.’ Hij legt uit hoe dat werkt: ‘Een neuraal netwerk slaat het beeld niet letterlijk op, maar maakt een representatie. Als de drone een beeld registreert dat lijkt op wat het netwerk eerder heeft gezien, kan die dat herkennen. Die beelden hoeven niet identiek te zijn.’
De Bee-Navdrones zijn klein en verbruiken weinig stroom. ‘Dat maakt ze goedkoper en makkelijker inzetbaar’, zegt De Kleijn. ‘In de praktijk is dat zeker bruikbaar.’ Het model dat nu door de Delftse testhal zweeft, weegt zo’n 800 gram en kan vijf à tien minuten vliegen. Uiteindelijk wil het lab naar drones van 30 gram, zoals ze eerder al maakten met een navigatiesysteem gebaseerd op mieren. Zulke kleine robots kunnen dan als ‘zwermen’ taken uitvoeren.
Dat innovaties als Bee-Nav ook kunnen leiden tot nieuwe wapens, vindt De Croon ‘droevig stellend’. ‘Ik denk dat zelfstandige drones maatschappelijk en economisch veel voordelen kunnen bieden. Ik hoop niet dat het voor andere doeleinden gebruikt wordt. Tegelijkertijd denk ik ook dat het met de huidige situatie in de wereld handig is dat we in Nederland vooroplopen op dit gebied. Voor mij toont het vooral aan dat dit een cruciale technologie is.’
Er zijn vervolgstappen uitgestippeld om Bee-Nav verder te verbeteren. Als eerste agendapunt wil De Croon een ‘onzekerheidsstop’ inbouwen. Dat moet ertoe leiden dat het systeem vreemde beelden, zoals een zonnestraal in de lens, negeert en niet in de war raakt. Daarnaast wil hij ook onderzoeken of de drones van A naar B kunnen vliegen, zonder terug te keren naar hun thuisbasis. ‘Dat is echt een volgende stap en zou de techniek nog breder inzetbaar maken.’
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant