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蝗災(zāi)帶來自動駕駛研究的靈感與契機(jī)

2020 年以來,從非洲到南亞,沙漠蝗蟲災(zāi)害侵襲全球多地。2020 年 7 月,南亞國家印度再遭蝗災(zāi)襲擊,并且部分城市進(jìn)入警戒狀態(tài)。

現(xiàn)在,一個(gè)由賓夕法尼亞州立大學(xué)工程師組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)以漫天蝗群中單個(gè)蝗蟲不會互相碰撞為契機(jī),正在研制一種低功率的碰撞探測器,它可以模仿蝗蟲躲避碰撞的反應(yīng),幫助機(jī)器人、無人機(jī)甚至無人駕駛汽車避免碰撞。

目前自動駕駛技術(shù)面臨的最大問題,就是如何保證車輛在上路時(shí)的安全性。如何避免車輛在行駛路上發(fā)生碰撞,已經(jīng)是汽車制造工業(yè)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。而從生物學(xué)角度來說,昆蟲為自動駕駛技術(shù)中的碰撞檢測和人工視覺系統(tǒng)提供了豐富的靈感來源。

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)和力學(xué)助理教授 Saptarshi Das 說:“我們一直在尋找具有不同尋常能力的動物,那些比人類做得更好的動物。其中,昆蟲的視覺是人們經(jīng)常用來設(shè)計(jì)自動系統(tǒng)的東西,因?yàn)樗鼈儠w,且不會相互碰撞。后來我們發(fā)現(xiàn)了蝗蟲是獨(dú)一無二的研究對象。”

研究人員開發(fā)的這個(gè)防碰撞的探測器是一種緊湊的納米級碰撞檢測器,并且使用單層硫化鉬作為光電檢測器。他們把光電探測器放在一個(gè)可編程的浮動門存儲器結(jié)構(gòu)的頂部,這種存儲器結(jié)構(gòu)僅用少量的能量就可以模擬蝗蟲的神經(jīng)元反應(yīng)。

蝗災(zāi)帶來的研究靈感與契機(jī)

這項(xiàng)研究于 8 月 24 日發(fā)表在 Nature Electronics 期刊,研究人員并表示,這是“向智能、低成本、特定任務(wù)、節(jié)能和小型化防撞系統(tǒng)的發(fā)展邁出的一大飛躍!

蝗災(zāi)帶來的研究靈感與契機(jī)

蝗災(zāi),主要是指蝗蟲引起的災(zāi)變,數(shù)以百萬計(jì)的昆蟲,飛越天空攻擊莊稼,但是在這些大群蝗蟲中,即使數(shù)量眾多,也不會出現(xiàn)單個(gè)昆蟲互相碰撞的情況。

不過一旦發(fā)生蝗災(zāi),大量的蝗蟲會吞食禾田,使農(nóng)產(chǎn)品完全遭到破壞,引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以致因糧食短缺而發(fā)生饑荒。

而全球變暖,尤其冬季溫度的上升,有利于蝗蟲越冬卵的增加,為第二年蝗災(zāi)的爆發(fā)提供“蟲卵”;此外氣候變暖、干旱加劇,草場退化等多種因素的疊加,為蝗蟲產(chǎn)卵提供了合適的產(chǎn)地,而且蝗蟲適應(yīng)干旱的能力極強(qiáng),這是因?yàn)橐曰认x為食物的其他昆蟲和鳥類在此情況下都不能生存,而且一種能造成蝗蟲疾病的絲狀菌被抑制活性,故而使其在干旱地區(qū)數(shù)量大大增加。

因此專家預(yù)測,隨著全球變暖的趨勢,未來蝗災(zāi)發(fā)生的規(guī)模會越來越大,對中國和世界的糧食生產(chǎn)將造成嚴(yán)重的影響。

當(dāng)然,我們今天文章的重點(diǎn),不在蝗災(zāi),而在單個(gè)蝗蟲。

蝗蟲之所以不同尋常,是因?yàn)樗鼈兪褂靡环N叫做 Lobula Giant Movement Detector (LGMD)的單一特殊神經(jīng)元來避免碰撞。Das 說:“我們開始研究它是如何工作,蝗蟲還真是令人難以置信!

根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)和力學(xué)專業(yè)的研究生 Darsith Jayachandran 的說法,神經(jīng)元會接收到兩種不同的信號,其中一個(gè)輸入是一只逼近的蝗蟲影像落在作為躲避方的蝗蟲眼睛上,入侵的蝗蟲越接近,圖像越大,激發(fā)信號越強(qiáng);而另一個(gè)輸入是入侵蝗蟲相對于躲避蝗蟲的角速度變化。

Jayachandran 說:“因?yàn)樯窠?jīng)元有兩個(gè)分支,蝗蟲計(jì)算出這兩個(gè)輸入信號的變化,然后意識到有東西會發(fā)生碰撞。所以躲避方的蝗蟲改變了方向。”

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