Forschungsteam der NTHU entwickelt Drohne, die wie ein Insekt fliegt

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) werden häufig für die Kommunikation und Landwirtschaft verwendet, ihr Einsatz wird aufgrund ihrer geringen Größe und begrenzten Batteriekapazität jedoch erschwert. Ein multidisziplinäres Team der National Tsing Hua University unter der Leitung von Professor Tang Kea-tiong (Fachbereich Elektrotechnik) und Professor Lo Chung-chuan (Fachbereich Biowissenschaften) hat kürzlich einen Chip basierend auf künstlicher Intelligenz (KI) entwickelt, der die Sehnerven der Fruchtfliege imitiert, sodass die Drohnen selbst im äußerst energiesparenden Modus Hindernissen automatisch ausweichen können.

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A multi-disciplinary team at NTHU led by professors Tang Kea-tiong (right) and Lo Chung-chuan has developed an AI chip, which could teach drone to fly like an insect. (Photo: National Tsing Hua University)

Die Mehrzahl der bislang eingesetzten UAV erkennen und umfahren Hindernisse mithilfe der Übertragung und Reflexion elektromagnetischer Wellen, was jedoch mit einem hohen Energieverbrauch verbunden ist. Alternativ könnten Hindernisse mithilfe von optischen Linsen zur Erfassung und Analyse von Bildern umgangen werden, jedoch kann die große Informationsmenge nicht so schnell verarbeitet werden und verbraucht zudem viel Energie.

Tang begeisterte die verblüffende Fähigkeit der Fruchtfliege, Hindernisse zu umfliegen, und stellte sich die Frage, ob man den Sehnerv dieses winzigen Insekts nachbilden und an KI-Anwendungen adaptieren könnte.

Zunächst musste die Aufgabe der Informationsüberflutung gelöst werden. Laut Tang ist der derzeit in Kameras und Mobiltelefonen verwendete Bildsensor mit Millionen von Pixeln ausgestattet, während das Auge einer Fruchtfliege mit nur rund 800 Pixeln auskommt. Das Gehirn der Fruchtfliege verarbeitet optische Signale wie Kontur und Kontrast mit einer Art Erkennungsmechanismus, der automatisch unwichtige Informationen herausfiltert und nur bewegte Objekte registriert, mit denen sie kollidieren könnte.

Das Forschungsteam hat diesen Erkennungsmechanismus imitiert und einen KI-Chip entwickelt, der es ermöglicht, eine Drohne mit Handgesten und einem Bildsensor zu bedienen.

Zuerst wird die Drohne mit der Fähigkeit ausgestattet, sich auf das Wichtigste zu konzentrieren, und anschließend lernt sie, die Entfernung und die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu beurteilen. Zu diesem Zweck führte Lo eine detaillierte Untersuchung darüber durch, wie die Fruchtfliege den optischen Fluss verarbeitet. Dazu studierte er ausführlich die Karten der Nervenbahnen der Fruchtfliege, die das Hirnforschungszentrum der NTHU erstellt hatte. „Der optische Fluss entsteht durch die relative Bewegung der umgebenden Objekte im Gesichtsfeld. Das Gehirn nutzt dies zur Bestimmung der Entfernung und Umgehung von Hindernissen", erklärte Lo.

Tang zufolge stellt der von seinem Forschungsteam entwickelte KI-Chip einen großen Durchbruch auf dem Gebiet des In-Memory-Computing dar. Die Daten von Computern und Mobiltelefonen fließen zunächst vom Arbeitsspeicher zur Zentraleinheit der CPU und nach der Verarbeitung werden die Daten zur Speicherung wieder in den Arbeitsspeicher zurückgeschickt. Dies beansprucht jedoch bis zu 90% der Energie und Zeit des tiefen KI-Lernprozesses. Dagegen ahmt der vom NTHU-Team entwickelte KI-Chip neuronale Synapsen nach, sodass Rechenprozesse im Arbeitsspeicher ablaufen können und die Effizienz erheblich verbessert wird.

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