华盛顿大学的工程师们设计了一种小巧、高效的机器人视觉系统，该系统总重量只有 250mg，相当于一张卡片重量的 1/10。研究人员将其固定在活甲虫的身上，并能够以 1-5 帧 / 秒的速度向智能手机实时传输视频。
这项研究成果发表在最新一期的 Science Robotics 上。
在电影《蚁人》中，主人公通过缩小身体尺寸，可以随意穿梭于各种岩石缝隙。更为震撼的是，通过昆虫第一视角看到的景象，和我们的认知大为不同。
现在，华盛顿大学的科研人员让电影情节变成了现实。副教授 Shyam Gollakota 带领他的团队，在微软奖学金和美国自然科学基金会的资助下，设计了一款小到可以安装在甲虫背部的视觉系统，该系统可以通过蓝牙装置实时传输甲虫第一视角画面，通信范围比足球场略大，为 120 米。
为什么会选择甲虫？是什么启发了工程师将机械装置和活体生物联系起来？这项研究始于对这样一个问题的探索——如何实现微型机器人视觉功能？
长久以来，复杂的视觉系统必然伴随大尺寸、高能耗，也就是说，只有大型机器人才配拥有视觉系统。而微型机器人，要么无法安装视觉装置（尺寸过大），要么必须带一根长长的线——用来通信和供电，否则续航能力堪忧。
因此，如何给微型机器人设计一款低能耗、高续航、无线的视觉系统，成为机器人领域工程师们的重大挑战。
为了解决这个难题，Gollakota 和他的团队抛开工程领域，到生物学领域寻求答案。通过对一系列生物视觉系统的研究，工程师们发现了有意思的现象。
从低级物种到高级物种，生物体为视觉系统供给的能量是不一样的。比如浮游生物，虽然低级，但通过长期的进化，它们真正做到了视觉系统的“高性价比”，这恰恰是研究人员想在机器人身上实现的。
“高性价比”有两个特征：能省就省，够用就好。
华盛顿大学的工程师们发现，人类作为最高等的生物，我们的眼睛和视觉皮质占人体总重量的 0.6%，而昆虫类，比如苍蝇，该比例却高达 2.5%-13%。
质量占比越高，意味着能耗越大。
拿苍蝇种族中的绿头苍蝇为例，且不说整个视觉系统，单单一个视网膜，就消耗了其代谢能量的 8%。
如此高的能耗，是自然界所无法接受的。因此在漫长的进化中，昆虫 “学会” 了一整套节约能耗的办法。
第一招，只在视网膜的一小片区域发展视觉功能。这有点 “集中优势兵力打击敌人” 的意味，既然视网膜耗能太高，昆虫就缩小视网膜的视觉能力范围。
第二招，多转头，少动身体。如果昆虫想要获得其他方位的画面信息，不需要移动身体，它们的头部可以独立于身体转动。转动头部显然比移动身体更节约能量。更有甚者，头也不转，可以转眼睛。
用工程师的话来说，这一招实现了“高效能收集视觉信息”。
了解到这些关键点，Gollakota 团队尝试将其应用在机器人视觉系统的设计中。
他们的规划是，首先把设计的装置固定在活体甲虫背面，以测试其效果，然后用甲虫大小的机器人替换甲虫，最终实现带有视觉系统的微型机器人设计。
Gollakota 等人设计的这一套机器视觉系统，可以说是昆虫视觉系统的人工版本。
在分辨率上，该系统采用的图像传感器精度和昆虫相当，较低的分辨率意味着更轻、更节约电量。最终的设计也体现了这一点，整套视觉系统总重 250mg，相当于一张卡片的 1/10 重量。
此外，工程人员把摄像头安装在了一个可以旋转的机械装置上，该机械装置通过机载驱动器控制，可以转动 60 度，并且能够左右平移。此举模拟了昆虫的头部功能，即在不移动身体的情况下获得更大的视觉范围。而平移功能允许摄像头捕捉运动物体，甚至能够拍摄全景照片。
最后，工程人员创造性地在视觉系统中添加一个特殊装置——加速计，加速计可以检测甲虫是否处在运动状态。只有当甲虫处在运动状态时，才触发视觉系统的拍摄功能。
用参与项目的该校博士生 Vikram Iyer 的话说，“如果摄像头一直工作，那整个视觉系统只能续航 1-2 小时。安装加速计之后，续航提高到 6 小时”。
加入这一系列仿生设计，机器视觉系统的能耗比传统方式低 24-86 倍。
最终的实验结果令人满意。由于整个装置足够轻便，甲虫甚至可以背着 “设备” 爬树。而通过智能手机操纵可旋转的摄像头，实现了全景拍摄。
机器视觉系统在甲虫身上获得了成功，团队进而设计了一款甲虫大小的微型机器人，搭载该视觉系统，取得了同样好的实验结果。
Gollakota 认为，通过大幅度降低传统视觉系统的尺寸、功率与重量，将摄像头的使用拓展到了以前不可能的新领域。
“视觉对沟通和导航都非常重要。当昆虫四处移动时，捕捉和传输实时数据对农业产业、工业物联网的发展非常有益，” Gollakota 说。
同时，该团队准备公开该项目的代码，和所有研究人员共享。
在未来，他们计划在 “低能耗” 上更进一步——彻底摆脱电池的限制，此举可以通过利用太阳能实现。
-End-
参考：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uow-agf070720.php
https://www.cnbc.com/2020/07/15/wireless-camera-can-ride-atop-a-beetle-and-end-images-to-smartphone.html
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