Investigadores del MIT, que el año pasado diseñaron un pequeño chip de ordenador para ayudar a los drones del tamaño de una abeja a navegar, ahora han reducido su diseño de chips aún más, tanto en tamaño como en consumo de energía.
El equipo, codirigido por Vivienne Sze, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) del MIT, y Sertac Karaman, Profesor Asociado de Desarrollo Aeronáutico y Astronáutico de la Carrera de Desarrollo de 1948, construyó un chip totalmente personalizado con un enfoque en la reducción del consumo de energía y el tamaño al mismo tiempo que aumenta la velocidad de procesamiento.
El nuevo chip llamado "Navion" tiene solo 20 milímetros cuadrados, aproximadamente el tamaño de una minifigura de LEGO, y consume solo 24 milivatios de potencia, o aproximadamente una milésima de la energía requerida para encender una bombilla.
Utilizando esta pequeña cantidad de energía, el chip puede procesar imágenes de cámara en tiempo real a una velocidad de hasta 171 fotogramas por segundo, así como mediciones de inercia, que utiliza para determinar su ubicación en el espacio. Los investigadores dicen que el chip se puede integrar en "nanodrones" tan pequeños como una uña, para ayudar a los vehículos a navegar, particularmente en lugares remotos o inaccesibles donde los datos satelitales de posicionamiento global no están disponibles.
El diseño del chip también se puede ejecutar en cualquier pequeño robot o dispositivo que necesite navegar durante largos períodos de tiempo con una fuente de alimentación limitada.
"Me puedo imaginar aplicando este chip a la robótica de baja energía, como vehículos de aleteo del tamaño de su uña, o vehículos más ligeros que el aire como globos meteorológicos, que tienen que durar meses con una batería", afirma Karaman, quien es miembro del Laboratorio de Sistemas de Información y Decisión y del Instituto de Datos, Sistemas y Sociedad del MIT. "O imagina dispositivos médicos como una pequeña pastilla que tragas, que puede navegar de forma inteligente con muy poca batería para que no se sobrecaliente en tu cuerpo. Los chips que estamos construyendo pueden ayudar con todo esto".

Los coautores Sze y Karaman son estudiantes graduados de EECS Amr Suleiman, quien es el autor principal; Estudiante graduado de EECS Zhengdong Zhang; y Luca Carlone, que fue científico investigador durante el proyecto y ahora es profesor asistente en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT.

Un chip flexible
En los últimos años, múltiples grupos de investigación han diseñado drones en miniatura lo suficientemente pequeños como para caber en la palma de su mano. Los científicos imaginan que esos pequeños vehículos pueden volar y tomar fotos de sus alrededores, como fotógrafos o topógrafos del tamaño de un mosquito, antes de aterrizar de nuevo en su palma, donde luego pueden almacenarse fácilmente.
Pero un dron del tamaño de una mano solo puede transportar una batería, la mayoría utilizada para hacer volar sus motores, dejando muy poca energía para otras operaciones esenciales, como la navegación y, en particular, la estimación del estado o la capacidad de un robot para determinar dónde está en el espacio.
"En la robótica tradicional, tomamos los ordenadores listos para usar e implementamos algoritmos de [estimación de estado] sobre ellas, porque normalmente no tenemos que preocuparnos por el consumo de energía", afirma Karaman. "Pero en cada proyecto que nos exige miniaturizar aplicaciones de baja potencia, ahora tenemos que pensar en los desafíos de la programación de una manera muy diferente".
En su trabajo anterior, Sze y Karaman comenzaron a abordar estos problemas mediante la combinación de algoritmos y hardware en un solo chip. Su diseño inicial se implementó en una FPGA, una plataforma de hardware comercial que se puede configurar para una aplicación determinada. El chip fue capaz de realizar una estimación de estado utilizando 2 vatios de potencia, en comparación con drones estándar más grandes que generalmente requieren de 10 a 30 vatios para realizar las mismas tareas. Aún así, el consumo de energía del chip fue mayor que la cantidad total de energía que los drones en miniatura normalmente pueden transportar, lo que los investigadores estiman en unos 100 milivatios.

Para reducir aún más el chip, tanto en tamaño como en consumo de energía, el equipo decidió construir un chip desde cero en lugar de reconfigurar un diseño existente. "Esto nos dio mucha más flexibilidad en el diseño del chip", dice Sze.

Corriendo en el mundo
Para reducir el consumo de energía del chip, el grupo ideó un diseño para minimizar la cantidad de datos almacenados en el chip en cualquier momento, en forma de imágenes de la cámara y medidas de inercia. El diseño también optimiza la forma en que estos datos fluyen a través del chip.
"Alguna de las imágenes que habríamos almacenado temporalmente en el chip, en realidad las comprimimos, por lo que requería menos memoria", dice Sze, que es miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. El equipo también reduce operaciones extrañas, como el cálculo de ceros. Los investigadores encontraron una manera de omitir esos pasos computacionales que implican ceros en los datos. "Esto nos permitió evitar tener que procesar y almacenar todos esos ceros, por lo que podemos eliminar una gran cantidad de ciclos innecesarios de almacenamiento y cálculo, lo que reduce el tamaño y la potencia del chip y aumenta la velocidad de procesamiento del chip", dice Sze.
A través de su diseño, el equipo pudo reducir la memoria del chip de sus 2 megabytes anteriores, a aproximadamente 0,8 megabytes. El equipo probó el chip en conjuntos de datos previamente recopilados generados por drones que volaban a través de múltiples entornos, como espacios de oficinas y depósitos.
"Si bien hemos personalizado el chip para baja potencia y procesamiento de alta velocidad, también lo hemos hecho lo suficientemente flexible como para que se pueda adaptar a estos entornos diferentes para ahorrar energía adicional", dice Sze. "La clave está en encontrar el equilibrio entre flexibilidad y eficiencia". El chip también puede reconfigurarse para admitir diferentes cámaras y sensores de la unidad de medida inercial (IMU).
A partir de estas pruebas, los investigadores descubrieron que podían reducir el consumo de energía del chip de 2 vatios a 24 milivatios, y que esto era suficiente para alimentar el chip para procesar imágenes a 171 fotogramas por segundo, una velocidad incluso más rápida que la de los conjuntos de datos proyectados.
El equipo planea mostrar su diseño implementando su chip en un coche de carreras en miniatura. Mientras que una pantalla muestra el video en vivo de una cámara a bordo, los investigadores también esperan mostrar el chip determinando dónde está en el espacio, en tiempo real, así como también la cantidad de energía que utiliza para realizar esta tarea. Eventualmente, el equipo planea probar el chip en un dron real, y finalmente en un dron en miniatura.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y por la National Science Foundation.
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Escrito por Jennifer Chu, Oficina de Noticias del MIT