Cómo los cerebros de insectos inspiran el aprendizaje automático y la computación

Desde vehículos autónomos inspirados en insectos y algoritmos de clasificación.

En un lugar no tan lejano, hay una sociedad compleja y bulliciosa. Estas criaturas casi alienígenas se comunican a través de la danza, viajando desde su base central de operaciones para buscar comida. Estos trabajadores diligentes, que vuelan a gran velocidad, esquivan a los depredadores mientras se concentran en los suministros de alimentos. Sin mapas externos ni dispositivo GPS, navegan por su cuenta utilizando los olores y sonidos de su entorno. Estos estímulos activan vías específicas en el cerebro para que el dron determine el campo más cercano para buscar alimento. A menudo, es posible que deban decidir qué área de alimentación tiene más flores. Aterrizan sobre su objetivo, recogen una carga útil de néctar y vuelan de regreso a casa.

La poderosa abeja realiza estos complejos cálculos con menos de 1 millón de células cerebrales; su cerebro es un miserable 1 mm³.

A pesar de su pequeño cerebro, los insectos tienen la notable capacidad de comunicarse, comportarse dentro de una comunidad social organizada y tomar decisiones rápidamente. 

Con algoritmos modernos de computación y aprendizaje automático, queremos resolver problemas similares. Lo que la evolución tardó miles de millones de años en generarse puede proporcionarnos atajos computacionales. Después de todo, apenas hemos entrado en la era moderna de las computadoras.

Los conocimientos de estos cerebros nos permiten diseñar robots que naveguen por el mundo con precisión a través de la visión. Además, en lugar de construir redes neuronales desde cero, los investigadores recurren a redes de inspiración neuromórfica. Ahorramos cantidades increíbles de recursos y energía si alguna vez descubrimos los secretos de estos sencillos circuitos. Exploraré algunos de los casos de uso modernos en los que estos cerebros antiguos aportan valor.

Desarrollando vehículos autónomos

Procesamiento visual inspirado en insectos

Los insectos como las libélulas, las abejas y las moscas de la fruta son excelentes para navegar por su entorno. En consecuencia, sus capacidades de procesamiento visual son bastante impresionantes. En un abrir y cerrar de ojos, cambian de dirección para capturar presas o evitar colisiones. Dado que los vehículos autónomos deberán realizar tareas similares, la capacidad de procesamiento visual de los insectos es de particular interés. Los insectos son extremadamente eficientes para extraer información sobre su entorno a partir de datos de baja resolución.

Los sensores de movimiento y ojos compactos están construidos e inspirados por insectos . Se utilizan ojos artificiales que imitan a las hormigas bravas u otros insectos para crear pequeños drones. Los ingenieros construyen dispositivos con muy pocas piezas, pero aún deben asegurarse de que puedan procesar estos datos. Los algoritmos permiten que estos pequeños robots autónomos detecten la velocidad, los bordes, las características de su entorno e incluso los tiempos de viaje.

Muchos insectos también detectan la dirección con una brújula incorporada. En el borde de sus ojos hay células capaces de detectar luz polarizada de la atmósfera. Basado en patrones de luz polarizada, diferentes combinaciones de señales eléctricas permiten a los insectos determinar la dirección de su corriente .

Un grupo de bio-robótica en Marsella desarrolló unidades de sensores de luz ultravioleta, imitando insectos. Esto es importante para los vehículos autónomos que necesitarán navegar por las ciudades según las direcciones. También puede reducir la barrera de entrada a nuevos grupos y empresas que buscan desarrollar vehículos.

Orientación visual inspirada en insectos

Torpe no suele ser un adjetivo atribuido a los insectos. Pueden deslizarse por el aire con gracia. Los insectos como las libélulas incluso se fijan en posibles presas, detectan su velocidad y cambian de dirección para atraparlas. Increíblemente, las libélulas también vuelan boca abajo y giran rápidamente mientras vuelan . En consecuencia, comprender cómo los insectos logran estas hazañas ayudará a desarrollar métodos eficientes que permitirán a los vehículos autónomos evitar colisiones.

Si bien el ojo en sí es un sensor poderoso, las vibraciones retinianas rápidas aumentan su precisión. Las moscas y otros insectos pueden diferenciar entre un fondo y un pequeño objeto o insecto en movimiento. Un pequeño robot volador con un sensor retiniano vibratorio identifica las manos en movimiento sobre un fondo texturizado . En lugar de acumular más células y maquinaria biológica, este elaborado mecanismo es eficaz para aumentar la agudeza. Es probable que estos mecanismos ayuden a los insectos depredadores a localizar con precisión un objetivo.

Además, los insectos usan datos visuales mientras vuelan, un proceso llamado flujo óptico. Los insectos miden simultáneamente la distancia y la velocidad . Los investigadores están trabajando duro para determinar exactamente cómo extraen los insectos esta información solo de la visión. No obstante, los algoritmos inspirados en esta idea muestran su viabilidad para futuros vehículos autónomos.

Redes neuronales de inspiración neuromórfica

Cuando no podamos fabricar componentes más pequeños para computadoras, necesitaremos mejorar la arquitectura informática. Las redes neuronales neuromórficas se inspiran en el pequeño tamaño de los cerebros de los insectos. Los dispositivos a nanoescala más nuevos simulan el sistema nervioso central emulando las características de las células cerebrales . Si bien los insectos no aprenderán a llenar impuestos o resolver ecuaciones matemáticas complejas, integran una gran cantidad de datos ambientales de manera eficiente.

Los insectos también perciben los olores y diferentes sustancias químicas a través de su sentido del olfato. Esta sensibilidad se combina con combinaciones especializadas de vías neuronales excitadoras / inhibidoras para codificar estos datos abstractos . Los insectos también comprimen estos datos para que puedan almacenarse en su cerebro. Esta información les ayuda a clasificar diferentes tipos de olores y responder en consecuencia. Una versión neuromórfica de este proceso es invaluable como clasificador capaz de recibir una gran cantidad de datos sin usar mucha energía.

Los grillos dirigen sus movimientos a los sonidos del entorno. Este complejo comportamiento solo necesita cuatro neuronas para dirigir un robot . Simplemente, dos neuronas ubicadas lejos una de la otra detectan ruido mientras que dos neuronas posteriores se mueven hacia el sonido. La diferencia de tiempo entre la aparición de un sonido en diferentes neuronas ayuda a informar la distancia de la fuente. Los robots más complejos también filtran la fase del sonido para navegar en terrenos o entornos irregulares .

Insectos, ¿para qué sirven?

Estamos en las primeras etapas de comprensión de las aplicaciones de la neurobiología de insectos. No obstante, está claro que su destreza visual es invaluable para el desarrollo de vehículos autónomos que navegan de manera segura por nuestro mundo . Los vehículos pueden integrar sensores visuales inspirados en ojos de insectos para determinar el rumbo y la velocidad, para estacionar en un lugar objetivo e incluso para evitar colisiones. En paralelo, los investigadores están desentrañando lentamente la forma en que los insectos integran el sonido y el olfato.

Al imitar sus cerebros, los investigadores generan sensores y clasificadores que integran una gran cantidad de datos sin gastar mucha energía. Estoy emocionado de ver cómo se desarrollan estas tecnologías en las próximas décadas.