魔幻视角：甲壳虫和他的迷你王国

成天软件海量科研管理资讯平台提供：一直以来，人类就渴望像鸟儿一样在空中自由翱翔，看到更加广阔的天地。然而，这一愿景目前只停留在脑洞大开的科幻电影里。在《蚁人》这部电影中，编剧赋予了主人公一种超能力，让其能够将自己的身体缩小成蚂蚁大小。主人公可以骑在昆虫的背上穿越崎岖不平的山地和无边无际的大海，到达任何想去的地方。最近，华盛顿大学的研究团队研制了一种无线可操纵视觉系统，使人类借助昆虫的眼睛来看世界这一美好的愿望得到了实现。 华盛顿大学的Vikram Iyer研究团队在微软奖学金和美国国家科学基金会的资助下，开发了目前第一个完全无线的、可机械操纵的微型视觉系统，这套系统相当于是安装在甲壳虫身上的微型相机背包，被称为是“甲壳虫版GoPro”。 该项研究以“Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots”为题发表在Science Robotics 背上装有微型摄像系统的甲虫在华盛顿大学校园中飞行 图源：UW News 全套系统重量约0.25g，大致相当于纸牌重量的十分之一，安装在甲壳虫背部不会影响昆虫的日常活动。此外，该系统还可以利用自身的蓝牙芯片将视频流以每秒1帧至5帧的速度传输到智能手机上，且具有足够的电池电量保证长达6小时的图像记录。该视觉系统集成在一个可旋转60°的机械臂上，视觉系统只需通过左右平移这一维度的运动即可捕获高分辨率的全景照片或跟踪运动的目标。视觉系统和机械臂的运动均是通过智能手机的蓝牙控制，距离可达120m，比足球场长一点。 甲壳虫携带相机可以爬树 图源：Science Robotics  15 Jul 2020: Vol. 5, Issue 44, eabb0839， Movie 1 为了进一步测试并证明这套无线可操纵视觉系统的可靠性与稳定性，研究人员设计了一个长1.6cm，宽2cm的微型地面机器人。针对机器人因运动产生的振动导致摄像机拍摄的画面模糊这一问题，研究人员在微型机器人的运动过程引入了合适的占空比，在运动速度和画面质量之间有效地达到了平衡。  华盛顿大学研究团队开发的微型地面机器人 图源：Science Robotics  15 Jul 2020: Vol. 5, Issue 44, eabb0839， Movie 4 研究人员将安装了无线可操纵视觉系统的微型机器人放置于布满障碍物的桌子上，通过视觉系统中的蓝牙芯片将拍摄的视频流传输到手机终端，再用手机上相应的控制APP对机器人发出实时的运动指令，成功地使其避开了这些障碍物。 虽然在此之前已有很多研究团队开发出了好几款厘米级别的微型机器人，有的机器人的体型甚至远小于华盛顿大学研究团队的微型地面机器人。但是在微型地面机器人的基础上配套安装优质的视觉系统，这个是从未有过的。 长久以来，微型化和轻量化一直是限制微型机器人高分辨率视觉的关键因素。相比微型化而言，轻量化的要求更难达到。尽管摄像机可以做得很轻巧，但是支撑它们持续工作的电池系统却使整个系统变得又大又笨，严重影响了昆虫和微型机器人的正常运动。 研究人员在甲虫种属中发现到两种甲虫，每种单次都能负重0.5克左右，于是他们制造了一个重量约0.25克的微型背包。 Lyer把摄像头系统连接到甲虫上 图源：University of Washington 为了能让系统正常工作，研究人员从昆虫仿生学中借鉴了经验，类似于摄像机，昆虫的视觉也需要更大的能量供给视觉信息处理。由于昆虫的体型小，其提供给视觉系统正常运转的能量比较有限。为了降低能量成本，许多昆虫的复眼仅在很小的视网膜区域内拥有高分辨力的视觉。为了解决视场范围小的问题，苍蝇、飞蛾、螳螂、蝗虫等一些昆虫通过头部的运动使其视觉系统扫描或聚焦运动的目标。相对移动整个身体，这种头部运动能使昆虫在整个视场上都具有高分辨率视觉的同时也能充分地利用能量。受到该启发，研究人员将视觉系统集成到微型机械臂系统上，当需要拍摄某个角度的图像时，视觉系统可以模拟昆虫的头部运动，将摄像机对准想要观测的区域。 为了进一步减少能量消耗，研究人员在无线视觉系统中增加了一个小型加速度传感器，使摄像机仅在感受到加速度变化时才间歇性地开始拍摄视频，除此之外，摄像系统会自动调节到低能耗的睡眠模式，节省更多的能量来延长电池的寿命。 这并不是华盛顿大学的研究人员第一次开发这种安装在昆虫身上的传感系统。在2018年12月，他们宣布已开发出第一个无线飞行平台，其电源既强大又轻巧，足以连接到大黄蜂上。它包括传感器，无线通信和位置跟踪器。研究人员将其称为“  生活物联网”。虽然没有相机，但是可以连续七小时监控环境温度、湿度以及农作物的健康。 华盛顿大学的研究人员开发的一个骑在大黄蜂上的传感器图源：University of Washington 未来随着无线可操纵视觉系统的能量供应模块进一步轻量化、小型化，人们可以把这种无线可操纵视觉系统搭载到昆虫身上。那么这个技术对于我们人类的生活究竟有什么帮助呢？ 1. 像甲虫这样的活虫可以携带相机飞行数小时甚至爬树。由于这远远超出了小型机器人的能力，因此开辟了以下可能性：使用带传感器的昆虫来定位昆虫的群落，可以进行虫害防控以及探索类似管道或其他密闭空间的事物。 2. 借助昆虫运动时捕获和传输视觉信息的能力，智能监视耕作的条件，将对未来精准农业的进一步发展产生深远的影响。 文章信息 Science Robotics 15 Jul 2020: Vol. 5, Issue 44, eabb0839, DOI: 10.1126/scirobotics.abb0839 论文地址 https://robotics.sciencemag.org/content/5/44/eabb0839
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