Gamle rovdyr inspirerer til visionær forskning

Insekter inspirerer forskere fra University of South Australia til at skabe ny teknologi baseret på deres ekstraordinære vision.

De visuelle bearbejdningsevner hos guldsmede er ikke kun misundelse fra dyreriget, men også den menneskelige. De kan forblive i luften under meget stram kontrol og vente på potentielle kammerater, bytte eller rovdyr. Ved at bruge deres næsten 360 graders syn kan de skelne mål på en rodet baggrund og derefter tage de nødvendige skridt.

Dr Russell Brinkworth, en UniSA neuroforsker, mekatronisk ingeniør og robotekspert, og professor Anthony Finn, Direktør for Defence and Systems Institute hos UniSA og ekspert i sensorbehandling og autonome systemer, bruger insekthjerner som inspiration til synssystemer i computere.

I seks år arbejdede Dr. Brinkworth med et lille team, der møjsommeligt målte og modellerede neurologien i det tidlige synssystem hos svirrefluen og guldsmede. I løbet af de sidste otte år, han, Prof Finn, og et voksende team af forskere på UniSAs Mawson Lakes Campus, har replikeret den visuelle funktionalitet af disse insekter og bruger dem som grundlag for at forbedre detektionssystemer i kameraer.

Deres bio-inspirerede forskning har en række anvendelser, fra at udvikle bioniske øjne til at forbedre navigationssystemerne i førerløse biler, spotte droner i komplicerede miljøer, scanning af skove for at fange detaljerede oplysninger om individuelle træer, forbedring af ansigtsgenkendelsesteknikker, og endda overvågning af dyrelivet i tæt camouflerede områder.

Ved at replikere guldsmedens visuelle algoritmer i en computermodel, forskerne bygger sensorsystemer, der kan finde genstande i scener, der er meget lyse eller meget mørke, har enten høje eller lave kontraster, og befinder sig i komplekse og obskure landskaber – noget som computere i øjeblikket ikke klarer godt.

"Lidesmede har samme evne som mennesker, dyr og andre insekter for at tilpasse sig mørke og lyse omgivelser, Dr. Brinkworth siger. "De har også overlegne sporings- og detektionsevner. Alle disse visuelle processer kan kortlægges for at hjælpe os med at bygge systemer, der kan fungere i komplekse miljøer.

"Grunden til, at der har været nogle dødsulykker med førerløse biler, er, at der skal gøres flere fremskridt på det visuelle behandlingsfelt. De nuværende kamerasystemer kæmper med at skelne mellem lys og mørke og forskellige objekter. Vores forskning er med til at løse dette.

"Biologisk set, den menneskelige øjenstruktur kan ikke sammenlignes med insektøjne, og de to arter opfatter tingene meget forskelligt. Imidlertid, den måde, insekter behandler visuel information på, er bemærkelsesværdigt som mennesker.

"Vi tager de algoritmer, som insekter bruger, og vi ændrer dem, så de passer til vores formål, uanset om det er for at forbedre sikkerhedskameraoptagelser eller for at forbedre ansigtsgenkendelse."

De samme biologisk inspirerede algoritmer kan også anvendes på lyd, gør det lettere at lytte efter genstande i støjende omgivelser.

Det betyder, at små, rolige, langsomt bevægende mål, såsom droner, kan spores baseret på både deres visuelle og akustiske signaturer.

Ved at bruge deres billedbehandlingsevner og sanseekspertise, Prof. Finn og Dr. Brinkworth leder også et UniSA-projekt for at hjælpe med at bekæmpe den voksende globale trussel, som IED-bærende droner udgør.

Improviserede sprængladninger er blandt de dødeligste våben i moderne krigsførelse, dræbte eller sårede mere end 3000 soldater i Afghanistan i 2017.

Denne bevæbning af droner fra terrorgrupper har ført til, at Defence Science and Technology (DST) Group har inviteret forskere og eksperter fra industri og akademi til at komme med teknologiske løsninger.

Prof Finn og Dr. Brinkworths projekt er et af kun 14 vellykkede Grand Challenge-forslag (ud af mere end 200 ansøgninger) for at vinde finansiering fra $730 millioner Next Generation Technologies Fund.

Ved at bruge algoritmen inspireret af insektneurologi og fysiologi, deres forskerhold har udviklet elektro-optik, infrarøde og akustiske sensorteknologier, der kan detektere fjernstyrede fly på imponerende afstande.

"Det, vi har gjort, er at overføre modellen af ​​svævefluen ud over biologien og simuleringen og sætte den på indlejrede computere, " siger prof Finn. "Disse er små, bærbare systemer, der giver os mulighed for at behandle billeder og data med omkring 100 billeder i sekundet, identifikation af mål i meget komplekse omgivelser i realtid, selv når de optager mindre end én billedpixel eller praktisk talt ikke kan høres."

"Hvis nogen vil stoppe en større lufthavn i at fungere, alt de skal gøre er at flyve en lille drone i nærheden. Det så vi i december 2018, da hundredvis af flyvninger blev aflyst i Gatwick Lufthavn nær London efter droneobservationer tæt på en af ​​landingsbanerne."

Arbejder i samarbejde med en Sydney-baseret virksomhed, Midspar Systems, og DST Group, Prof. Finn og Dr. Brinkworth har været i stand til betydeligt at udvide rækkevidden, hvor droner kan detekteres, mens de samtidig "massivt reducerer" antallet af falske alarmer i rodede omgivelser.

Dronedetektionsprojektet forventes afsluttet ved udgangen af ​​2020.