你有沒有想過，昆蟲是如何能夠飛得離家這么遠，卻仍然能找到路的?這個問題的答案不僅與生物學有關，而且與制造微型自主機器人的人工智能有關。代爾夫特理工大學的無人機研究人員從生物學發現中獲得了靈感，即螞蟻如何通過視覺識別周圍環境，并將其與計算步數結合起來，以便安全返回家園。他們利用這些見解，為微型輕型機器人創建了一種受昆蟲啟發的自主導航策略。該策略允許此類機器人在長距離飛行后返回家中，同時需要極少的計算和內存(每 100 米 0.65 千字節)。未來，微型自主機器人可以找到廣泛的用途，從監控倉庫中的庫存到發現工業現場的氣體泄漏。研究人員于 2024 年 7 月 17 日在《科學機器人》雜志上發表了他們的研究成果。

為小人物挺身而出

微型機器人的重量從幾十克到幾百克不等，具有在現實世界中應用的潛力。由于重量輕，即使不小心撞到人，它們也非常安全。由于體積小，它們可以在狹窄的區域內行走。如果制造成本低廉，它們就可以大量部署，從而快速覆蓋大面積區域，例如在溫室中用于早期害蟲或疾病檢測。

然而，讓如此微型的機器人自行操作非常困難，因為與大型機器人相比，它們的資源極其有限。一個主要的障礙是它們必須能夠自行導航。為此，機器人可以從外部基礎設施獲得幫助。它們可以使用室外 GPS 衛星或室內無線通信信標的位置估計值。然而，依賴這樣的基礎設施往往是不可取的。GPS 在室內不可用，在城市峽谷等雜亂的環境中會變得非常不準確。而且在室內空間安裝和維護信標非常昂貴，或者根本不可能，例如在搜救場景中。

僅使用機載資源進行自主導航所需的人工智能是專為大型機器人(如自動駕駛汽車)而設計的。一些方法依賴于笨重、耗電的傳感器，如 LiDAR 激光測距儀，而小型機器人根本無法攜帶或為其供電。其他方法則使用視覺，這是一種非常省電的傳感器，可提供有關環境的豐富信息。然而，這些方法通常試圖創建高度詳細的環境 3D 地圖。這需要大量的處理和內存，而這些只能由計算機來提供，而對于微型機器人來說，計算機太大且耗電。

計算步數和視覺面包屑

這就是為什么一些研究人員轉向大自然尋求靈感。昆蟲尤其有趣，因為它們可以在與許多現實世界應用相關的距離上活動，同時使用非常稀缺的傳感和計算資源。生物學家對昆蟲使用的潛在策略有了越來越多的了解。具體來說，昆蟲將跟蹤自己的運動(稱為“里程計”)與基于低分辨率但幾乎全向的視覺系統(稱為“視覺記憶”)的視覺引導行為相結合。盡管里程計甚至在神經元層面上也越來越被人們所理解，但視覺記憶背后的精確機制仍然不太為人所知。關于其工作原理的最早理論之一提出了一種“快照”模型。在該模型中，昆蟲(例如螞蟻)被提議偶爾拍攝其環境的快照。后來，當昆蟲接近快照時，它可以將其當前的視覺感知與快照進行比較，并移動以最小化差異。這使得昆蟲可以導航或“回到”快照位置，從而消除僅執行里程計時不可避免地積累的任何漂移。

“基于快照的導航可以比作漢塞爾和格萊特童話中漢塞爾試圖不迷路的方式。當漢塞爾在地上扔石頭時，他可以回到家。然而，當他扔面包屑被鳥吃掉時，漢塞爾和格萊特就迷路了。在我們的例子中，石頭就是快照。”這項研究的第一作者湯姆·范·迪克說，“就像石頭一樣，要使快照起作用，機器人必須足夠靠近快照位置。如果視覺環境與快照位置的視覺環境相差太大，機器人可能會朝錯誤的方向移動，并且再也回不來了。因此，必須使用足夠多的快照——或者在漢塞爾的例子中，扔下足夠數量的石頭。另一方面，把石頭扔得太近會很快耗盡漢斯的石頭。對于機器人來說，使用太多快照會導致大量內存消耗。該領域之前的研究中，快照通常非常接近，這樣機器人就可以首先視覺定位到一個快照，然后再定位到下一個快照。”

“我們策略背后的主要見解是，如果機器人基于里程計在快照之間移動，那么您可以將快照間隔得更遠。”仿生無人機全職教授兼文章合著者 Guido de Croon 說道，“只要機器人最終足夠接近快照位置，即只要機器人的里程計漂移落在快照的收集范圍內，導航就會起作用。這也使機器人能夠行進得更遠，因為機器人在導航到快照時飛行的速度比基于里程計從一個快照飛到下一個快照時要慢得多。”

這項受昆蟲啟發的導航策略讓一架重量 56 克、配備全向攝像頭的“CrazyFlie”無人機能夠僅用 0.65 千字節覆蓋 100 米的距離。所有視覺處理都在一臺稱為“微控制器”的微型計算機上進行，這種計算機在許多廉價電子設備中都有。

讓機器人技術發揮作用

“所提出的受昆蟲啟發的導航策略是將微型自主機器人應用于現實世界的重要一步。”Guido de Croon 說，“所提出的策略的功能比最先進的導航方法更有限。它不會生成地圖，只允許機器人返回起點。不過，對于許多應用來說，這可能已經足夠了。例如，對于倉庫中的庫存跟蹤或溫室中的作物監測，無人機可以飛出去，收集數據，然后返回基站。它們可以將與任務相關的圖像存儲在小型 SD 卡上，以供服務器進行后期處理。但它們本身不需要它們進行導航。”