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登上《科学》子刊!身背相机的昆虫“摄像师”来了:它眼里的大千

发布日期:2022-06-22 00:23   来源:未知   阅读:

  在电影《蚁人》 ( Ant Man ) 中,蚁人可以缩小体型,骑在一只昆虫背上飞行。近日,华盛顿大学的研究人员开发了一种微型无线可操控摄像机,它也可以搭载在昆虫身上,让每个人都有机会看到类似蚁人视角里的大千世界。

  这个摄像头安装在一个可以旋转 60 度的机械臂上,以每秒 1-5 帧的速度向智能手机传输视频。在这些基础上,相机能够捕获高分辨率、全景拍摄或跟踪移动的对象,而消耗最小的能量——因为不用再旋转整个身体,消耗的能量也因此减少了 84 倍!这个系统重约 250 毫克,相当于扑克牌的十分之一,还不到一张 1 美元钞票的重量。

  为了展示它的多功能性,研究小组将它安装在活甲虫和昆虫大小的机器人上。研究结果发表在 7 月 15 日的《科学机器人》(Science Robotics)杂志上。

  研究人员表示,这种技术是迄今为止最小的、自主供电的视觉系统之一。未来,科学家们可以利用这些微型摄像机深入了解实验室外昆虫的习性。通过理解自然界昆虫视觉系统的权衡,我们就可以为昆虫机器人设计更好的视觉系统,在某种程度上平衡能量、计算和质量。

  我们已经创造了一种低功耗、低重量的无线摄像系统,它可以附在一只活生生的昆虫身上,以此为第一人称视角,捕捉周围正在发生的事情,这也可以为小型机器人创造视觉。 华盛顿大学保罗阿伦计算机科学与工程学院副教授、论文资深作者 Shyam Gollakota 表示。 视觉对于沟通和导航是非常重要的,但在如此小的范围内做到这一点是极具挑战性的。因此,在我们的工作之前,无线视觉还不可能应用于小型机器人或昆虫。

  典型的小型相机,比如智能手机上使用的那种,要捕捉广角、高分辨率的照片需要消耗大量能量,而这在昆虫身上就行不通了。虽然相机本身很轻,但支撑它们的电池使得整个系统对昆虫或昆虫大小的机器人来说太大太重,根本无法随身携带。不过,这个团队从生物学中获得了有用的灵感。

  和相机一样,动物的视觉背后也需要消耗很大的能量, 华盛顿大学机械工程学的助理教授、论文合著者索耶 · 富勒(Sawyer Fuller)表示。 对于像人类这样的大型生物来说,这没什么大不了的,但苍蝇会用 10%-20% 的休息能量来驱动大脑,而大脑大部分用于视觉处理。 为了降低损耗成本,苍蝇的复眼上有一个小的高分辨率区域。它们会转过头,以更清晰地转向它们想看的地方,比如追逐猎物或配偶。这比整个视野的高分辨率更省能量。

  为了模仿动物的视觉,研究人员使用了一台微型、超低功耗的黑白相机,它可以借助机械臂扫描整个视野。当团队施加高电压时,手臂会移动,使材料弯曲,并将摄像机移动到所需的位置。除非团队使用更大的力量,否则手臂会保持这个角度一分钟,然后放松回到原来的位置。这就像人们只能在很短的一段时间内把头往一个方向转,然后就会回到一个更中间的位置。

  移动摄像头的一个好处是,你可以在不消耗大量能量的情况下获得广角的视角, 华盛顿大学电子与计算机工程专业的博士生维克拉姆 · 艾耶(Vikram Iyer)表示: 我们可以跟踪移动的物体,而不需要花费能量来移动整个机器人。与使用广角镜头相比,这些图像的分辨率更高,广角镜头可以在更大的区域内分割出同样数量的像素来生成图像。

  这是一种完全无线的、动力自主的、可机械操控的视觉系统,它可以模拟头部运动,其形状小到足以安装在一只活甲虫或类似大小的地面机器人的背上。电子设备和驱动器总重量仅 248 毫克,可以根据智能手机的指令将摄像头控制在 60 度以上。该相机以每秒 1-5 帧的速度,将 160 像素 × 120 像素的单色视频传输到 120 米外的蓝牙无线电上。而摄像头和手臂通是过蓝牙由智能手机在 120 米外实现控制的。

  研究人员将他们的可移动系统安装在两种不同类型的甲虫背上——一种是装死甲虫,另一种是松形甲虫。研究人员表示,类似的甲虫可以携带超过半克的重物。

  我们确保甲虫在携带我们的系统时仍能正常移动, 该研究的联合作者、华盛顿大学电子与计算机工程专业博士生阿里 · 纳杰菲 ( Ali Najafi ) 说。 他们能够自由地穿过碎石,爬上斜坡,甚至爬树。 实验结束后,这些甲虫还存活了至少一年。

  我们在系统中增加了一个小型加速度计,以便能够探测到甲虫的移动。然后它只在那段时间捕捉图像,Iyer 说。 如果相机在没有加速计的情况下持续流媒体,我们可以在电池耗尽前录下 1-2 个小时的视频。有了加速计,仅用 10 毫安小时的电池,我们可以根据甲虫的活动水平记录 6 个小时或更长时间的内容。

  研究人员还利用他们的摄像系统设计了世界上最小的具有无线视觉的电力自主机器人 ( 1.6 厘米 × 2 厘米 ) 。这个昆虫大小的机器人利用振动以每秒 3.5 厘米的速度移动,消耗的能量几乎与低功耗蓝牙无线电所需的能量相当。

  他们还建造了一个小型的陆地机器人 ( 1.6 厘米 × 2 厘米 ) ,它能以每秒 3.5 厘米的速度移动,支持视觉拍摄,工作时间 63-260 分钟。结果表明,可操纵的视觉可以使目标跟踪和广角视角的能量比移动整个机器人低 26-84 倍。

  然而,研究小组发现,振动会使照相机抖动,并产生扭曲的图像。研究人员解决了这个问题——可以让机器人暂时停下来,拍张照片,然后继续它的旅程。采用这种策略,该系统仍能以每秒 2-3 厘米的速度移动——比任何使用振动来移动的微型机器人都要快——电池寿命约为 90 分钟。

  虽然这种身背机器的昆虫没法帮助拍下高清晰的图像,但它们能够在崎岖的地面爬行,并钻进岩石缝隙和狭窄管道中探索内部景象,这显然是一大优势。

  尽管该团队对轻量、低功耗移动相机的潜力感到兴奋,但研究人员承认,这项技术也带来了一系列新的隐私风险。Gollakota 说 : 作为研究人员,我们坚信把一些东西放到公共领域是非常重要的,这样人们才会意识到这些风险,才会开始想出解决办法。

  研究人员说,其应用范围可以从生物学到新环境的探索观测。该团队希望未来版本的相机将需要更少的能耗,并且不需要电池,可能是太阳能的。

  这是我们第一次以第一人称从甲虫的背部观察到它四处行走的样子。还有很多问题需要你去探索,比如甲虫会对环境中的不同刺激做出怎样的反应 ? 艾耶说。 而且,昆虫可以在岩石环境中穿行,这对机器人来说是一个挑战。 所以这个系统也可以帮助我们,让我们看到或收集难以导航的空间的样本。

  这项研究得到了微软奖学金和美国国家科学基金会的资助。下一步,研究者计划将该无线摄像系统安装在更多飞行类生物身上。