模仿昆蟲大(dà)腦(nǎo)：高(gāo)效機器人(rén)技術的(de)飛(fēi)躍

在浩瀚的(de)大(dà)自然中，一些最深刻的(de)靈感來(lái)自最小的(de)生物(wù)。昆蟲由于體積小而經常被忽視，事實上它們是導航和(hé)效率的(de)奇迹。長(cháng)期以來(lái)，科學家和(hé)工程師們都很感興趣，因爲它們的(de)大(dà)腦(nǎo)不比針頭大(dà)，能夠在複雜(zá)的(de)環境中機動。物(wù)理(lǐ)學家Elisabetta Chicca率先揭開了(le)這(zhè)些秘密，她最近的(de)工作彌合了(le)生物(wù)學理(lǐ)解和(hé)技術創新之間的(de)差距。

在浩瀚的(de)大(dà)自然中，一些最深刻的(de)靈感來(lái)自最小的(de)生物(wù)。昆蟲由于體積小而經常被忽視，事實上它們是導航和(hé)效率的(de)奇迹。長(cháng)期以來(lái)，科學家和(hé)工程師們都很感興趣，因爲它們的(de)大(dà)腦(nǎo)不比針頭大(dà)，能夠在複雜(zá)的(de)環境中機動。物(wù)理(lǐ)學家Elisabetta Chicca率先揭開了(le)這(zhè)些秘密，她最近的(de)工作彌合了(le)生物(wù)學理(lǐ)解和(hé)技術創新之間的(de)差距。

Chicca已經開始了(le)一段旅程，來(lái)破解這(zhè)些微小的(de)生物(wù)是如何取得(de)如此非凡的(de)成就的(de)。她的(de)工作不僅揭示了(le)昆蟲導航的(de)奧秘，也(yě)爲節能計算(suàn)和(hé)機器人(rén)技術的(de)進步鋪平了(le)道路。

解鎖昆蟲導航

昆蟲，盡管它們的(de)神經資源有限，卻表現出驚人(rén)的(de)導航技能。它們毫不費力地避開障礙，熟練地穿過最微小的(de)開口，這(zhè)一壯舉多(duō)年來(lái)一直困擾著(zhe)科學家。這(zhè)種能力的(de)關鍵在于他(tā)們對(duì)世界的(de)獨特感知。

Chicca在她的(de)研究中解釋說，昆蟲導航的(de)一個(gè)關鍵方面是它們如何感知運動。這(zhè)就像坐(zuò)在火車上觀察風景一樣：近處的(de)樹木(mù)似乎比遠(yuǎn)處的(de)房(fáng)屋移動得(de)更快(kuài)。昆蟲利用(yòng)這(zhè)種不同的(de)移動速度來(lái)測量距離和(hé)導航。這(zhè)個(gè)簡單而有效的(de)方法在直線運動時(shí)效果很好。然而，現實世界很少如此簡單明(míng)了(le)。

昆蟲通(tōng)過簡化(huà)行爲來(lái)适應環境的(de)複雜(zá)性。它們通(tōng)常沿著(zhe)一條直線飛(fēi)行，轉彎，然後沿著(zhe)另一條直線前進。奇卡的(de)觀察揭示了(le)一個(gè)重要的(de)教訓：資源的(de)限制可(kě)以通(tōng)過行爲調整來(lái)抵消。

從生物(wù)學見解到機器人(rén)應用(yòng)的(de)旅程是一個(gè)跨學科合作的(de)故事。在奇卡的(de)監督下(xià)，博士生Thorben Schoepe開發了(le)一個(gè)模仿昆蟲神經元活動的(de)模型，然後将其轉化(huà)爲一個(gè)小型導航機器人(rén)。

該機器人(rén)體現了(le)昆蟲導航的(de)原理(lǐ)，是與比勒費爾德大(dà)學著名神經生物(wù)學家Martin Egelhaaf密切合作的(de)産物(wù)。Egelhaaf在理(lǐ)解昆蟲計算(suàn)原理(lǐ)方面的(de)專業知識對(duì)于開發準确模拟昆蟲導航策略的(de)模型至關重要。

機器人(rén)的(de)導航特性

任何科學模型的(de)真正證明(míng)都在于它的(de)實際應用(yòng)。在奇卡的(de)研究中，昆蟲大(dà)腦(nǎo)的(de)機器人(rén)在一系列複雜(zá)的(de)測試中展示了(le)它的(de)能力。其中最引人(rén)注目的(de)是機器人(rén)在走廊中的(de)導航，走廊的(de)牆壁上裝飾著(zhe)随機的(de)圖案。這(zhè)種設置旨在模仿昆蟲遇到的(de)各種視覺刺激，對(duì)任何導航系統來(lái)說都是一個(gè)具有挑戰性的(de)過程。

該機器人(rén)配備了(le)Thorben Schoepe的(de)模型，展示了(le)在走廊中保持中心路徑的(de)神奇能力，這(zhè)種行爲與昆蟲的(de)行爲非常相似。這(zhè)是通(tōng)過模仿昆蟲測量距離和(hé)方向的(de)自然策略，轉向運動最不明(míng)顯的(de)區(qū)域來(lái)實現的(de)。機器人(rén)在這(zhè)種環境中的(de)成功是對(duì)模型的(de)有力驗證。

在走廊之外，機器人(rén)在各種虛拟環境中進行了(le)測試，每種環境都有自己的(de)挑戰。無論是在障礙物(wù)周圍導航，還(hái)是在小開口中尋找出路，機器人(rén)都表現出了(le)讓人(rén)想起其生物(wù)同行的(de)适應性和(hé)效率。奇卡得(de)出的(de)結論是，該模型在不同環境中保持一緻的(de)能力不僅是技術實力的(de)證明(míng)，也(yě)是昆蟲導航潛在效率和(hé)多(duō)功能性的(de)反映。


Thorben Schoepe的(de)機器人(rén)在走廊上随機打印。萊昂尼·馮·裏斯托克照(zhào)片
 

機器人(rén)效率：一種新的(de)範式

長(cháng)期以來(lái)，機器人(rén)世界一直由通(tōng)過廣泛的(de)編程和(hé)數據處理(lǐ)來(lái)學習(xí)和(hé)适應的(de)系統所主導。這(zhè)種方法雖然有效，但往往需要大(dà)量的(de)計算(suàn)資源和(hé)能量。奇卡的(de)研究引入了(le)範式轉變，從效率至關重要的(de)自然世界中汲取靈感。

正如奇卡所指出的(de)，昆蟲天生具有從一開始就高(gāo)效導航的(de)能力，無需學習(xí)或廣泛編程。這(zhè)種“硬連接”的(de)效率與機器人(rén)的(de)傳統方法形成了(le)鮮明(míng)對(duì)比。通(tōng)過模拟這(zhè)些生物(wù)學原理(lǐ)，機器人(rén)可(kě)以達到目前傳統方法無法達到的(de)效率水(shuǐ)平。

奇卡設想了(le)一個(gè)未來(lái)，機器人(rén)不僅僅是學習(xí)和(hé)适應，還(hái)有天生的(de)效率。這(zhè)種方法可(kě)以開發更小、能耗更低、更适合各種環境的(de)機器人(rén)。這(zhè)是一個(gè)挑戰現狀的(de)視角，爲機器人(rén)系統的(de)設計和(hé)應用(yòng)開辟了(le)新的(de)可(kě)能性。