劉軍

華盛頓大學(xué)的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種小巧、高效的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)總重量只有 250毫克，相當(dāng)于一張卡片重量的 1/10。研究人員將其固定在活甲蟲(chóng)的身上，并能夠以每秒1幀～5幀的速度向智能手機(jī)實(shí)時(shí)傳輸視頻。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在最新一期的《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》上。

在電影《蟻人》中，主人公通過(guò)縮小身體尺寸，可以隨意穿梭于各種巖石縫隙。更為震撼的是，通過(guò)昆蟲(chóng)第一視角看到的景象，和我們的認(rèn)知大為不同?，F(xiàn)在，華盛頓大學(xué)的科研人員讓電影情節(jié)變成了現(xiàn)實(shí)。副教授 Shyam Gollakota 帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，在微軟獎(jiǎng)學(xué)金和美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，設(shè)計(jì)了一款小到可以安裝在甲蟲(chóng)背部的視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)藍(lán)牙裝置實(shí)時(shí)傳輸甲蟲(chóng)第一視角畫面，通信范圍比足球場(chǎng)略大，為 120 米。

為什么會(huì)選擇甲蟲(chóng)？是什么啟發(fā)了工程師將機(jī)械裝置和活體生物聯(lián)系起來(lái)？這項(xiàng)研究始于對(duì)這樣一個(gè)問(wèn)題的探索——如何實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人視覺(jué)功能？長(zhǎng)久以來(lái)，復(fù)雜的視覺(jué)系統(tǒng)必然伴隨大尺寸、高能耗，也就是說(shuō)，只有大型機(jī)器人才配擁有視覺(jué)系統(tǒng)。而微型機(jī)器人，要么無(wú)法安裝視覺(jué)裝置（尺寸過(guò)大），要么必須帶一根長(zhǎng)長(zhǎng)的線——用來(lái)通信和供電，否則續(xù)航能力堪憂。

因此，如何給微型機(jī)器人設(shè)計(jì)一款低能耗、高續(xù)航、無(wú)線的視覺(jué)系統(tǒng)，成為機(jī)器人領(lǐng)域工程師們的重大挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)難題，Gollakota 和他的團(tuán)隊(duì)拋開(kāi)工程領(lǐng)域，到生物學(xué)領(lǐng)域?qū)で蟠鸢?。通過(guò)對(duì)一系列生物視覺(jué)系統(tǒng)的研究，工程師們發(fā)現(xiàn)了有意思的現(xiàn)象。

從低級(jí)物種到高級(jí)物種，生物體為視覺(jué)系統(tǒng)供給的能量是不一樣的。比如浮游生物，雖然低級(jí)，但通過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，它們真正做到了視覺(jué)系統(tǒng)的“高性價(jià)比”，這恰恰是研究人員想在機(jī)器人身上實(shí)現(xiàn)的。

“高性價(jià)比”有兩個(gè)特征：能省就省，夠用就好。華盛頓大學(xué)的工程師們發(fā)現(xiàn)，人類作為最高等的生物，我們的眼睛和視覺(jué)皮質(zhì)占人體總重量的 0.6%，而昆蟲(chóng)類，比如蒼蠅，該比例卻高達(dá) 2.5%～13%。質(zhì)量占比越高，意味著能耗越大。拿蒼蠅種族中的綠頭蒼蠅為例，且不說(shuō)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)，單單一個(gè)視網(wǎng)膜，就消耗了其代謝能量的 8%。如此高的能耗，是自然界所無(wú)法接受的。

因此在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中，昆蟲(chóng) “學(xué)會(huì)” 了一整套節(jié)約能耗的辦法。第一招，只在視網(wǎng)膜的一小片區(qū)域發(fā)展視覺(jué)功能。這有點(diǎn) “集中優(yōu)勢(shì)兵力打擊敵人” 的意味，既然視網(wǎng)膜耗能太高，昆蟲(chóng)就縮小視網(wǎng)膜的視覺(jué)能力范圍。第二招，多轉(zhuǎn)頭，少動(dòng)身體。如果昆蟲(chóng)想要獲得其他方位的畫面信息，不需要移動(dòng)身體，它們的頭部可以獨(dú)立于身體轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)頭部顯然比移動(dòng)身體更節(jié)約能量。更有甚者，頭也不轉(zhuǎn)，可以轉(zhuǎn)眼睛。用工程師的話來(lái)說(shuō)，這一招實(shí)現(xiàn)了“高效能收集視覺(jué)信息”。

了解到這些關(guān)鍵點(diǎn)，Gollakota 團(tuán)隊(duì)嘗試將其應(yīng)用在機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。他們的規(guī)劃是，首先把設(shè)計(jì)的裝置固定在活體甲蟲(chóng)背面，以測(cè)試其效果，然后用甲蟲(chóng)大小的機(jī)器人替換甲蟲(chóng)，最終實(shí)現(xiàn)帶有視覺(jué)系統(tǒng)的微型機(jī)器人設(shè)計(jì)。Gollakota 等人設(shè)計(jì)的這一套機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，可以說(shuō)是昆蟲(chóng)視覺(jué)系統(tǒng)的人工版本。在分辨率上，該系統(tǒng)采用的圖像傳感器精度和昆蟲(chóng)相當(dāng)，較低的分辨率意味著更輕、更節(jié)約電量。最終的設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了這一點(diǎn)，整套視覺(jué)系統(tǒng)總重 250mg，相當(dāng)于一張卡片的 1/10 重量。

此外，工程人員把攝像頭安裝在了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置上，該機(jī)械裝置通過(guò)機(jī)載驅(qū)動(dòng)器控制，可以轉(zhuǎn)動(dòng) 60 度，并且能夠左右平移。此舉模擬了昆蟲(chóng)的頭部功能，即在不移動(dòng)身體的情況下獲得更大的視覺(jué)范圍。而平移功能允許攝像頭捕捉運(yùn)動(dòng)物體，甚至能夠拍攝全景照片。最后，工程人員創(chuàng)造性地在視覺(jué)系統(tǒng)中添加一個(gè)特殊裝置——加速計(jì)，加速計(jì)可以檢測(cè)甲蟲(chóng)是否處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。只有當(dāng)甲蟲(chóng)處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，才觸發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)的拍攝功能。用參與項(xiàng)目的該校博士生 Vikram Iyer 的話說(shuō)，“如果攝像頭一直工作，那整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)只能續(xù)航 1小時(shí)～2 小時(shí)。安裝加速計(jì)之后，續(xù)航提高到 6 小時(shí)”。加入這一系列仿生設(shè)計(jì)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的能耗比傳統(tǒng)方式至少能降低1/4。

最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。由于整個(gè)裝置足夠輕便，甲蟲(chóng)甚至可以背著 “設(shè)備” 爬樹(shù)。而通過(guò)智能手機(jī)操縱可旋轉(zhuǎn)的攝像頭，實(shí)現(xiàn)了全景拍攝。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在甲蟲(chóng)身上獲得了成功，團(tuán)隊(duì)進(jìn)而設(shè)計(jì)了一款甲蟲(chóng)大小的微型機(jī)器人，搭載該視覺(jué)系統(tǒng)，取得了同樣好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Gollakota 認(rèn)為，通過(guò)大幅度降低傳統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)的尺寸、功率與重量，將攝像頭的使用拓展到了以前不可能的新領(lǐng)域?！耙曈X(jué)對(duì)溝通和導(dǎo)航都非常重要。當(dāng)昆蟲(chóng)四處移動(dòng)時(shí)，捕捉和傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展非常有益?！?Gollakota 說(shuō)。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備公開(kāi)該項(xiàng)目的代碼，和所有研究人員共享。

在未來(lái)，他們計(jì)劃在 “低能耗” 上更進(jìn)一步——徹底擺脫電池的限制，此舉可以通過(guò)利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)。（摘自美《深科技》）（編輯/多洛米）