你有没有想过，昆虫是如何能够飞得离家这么远，却仍然能找到路的?这个问题的答案不仅与生物学有关，而且与制造微型自主机器人的人工智能有关。代尔夫特理工大学的无人机研究人员从生物学发现中获得了灵感，即蚂蚁如何通过视觉识别周围环境，并将其与计算步数结合起来，以便安全返回家园。他们利用这些见解，为微型轻型机器人创建了一种受昆虫启发的自主导航策略。该策略允许此类机器人在长距离飞行后返回家中，同时需要极少的计算和内存(每 100 米 0.65 千字节)。未来，微型自主机器人可以找到广泛的用途，从监控仓库中的库存到发现工业现场的气体泄漏。研究人员于 2024 年 7 月 17 日在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究成果。

为小人物挺身而出

微型机器人的重量从几十克到几百克不等，具有在现实世界中应用的潜力。由于重量轻，即使不小心撞到人，它们也非常安全。由于体积小，它们可以在狭窄的区域内行走。如果制造成本低廉，它们就可以大量部署，从而快速覆盖大面积区域，例如在温室中用于早期害虫或疾病检测。

然而，让如此微型的机器人自行操作非常困难，因为与大型机器人相比，它们的资源极其有限。一个主要的障碍是它们必须能够自行导航。为此，机器人可以从外部基础设施获得帮助。它们可以使用室外 GPS 卫星或室内无线通信信标的位置估计值。然而，依赖这样的基础设施往往是不可取的。GPS 在室内不可用，在城市峡谷等杂乱的环境中会变得非常不准确。而且在室内空间安装和维护信标非常昂贵，或者根本不可能，例如在搜救场景中。

仅使用机载资源进行自主导航所需的人工智能是专为大型机器人(如自动驾驶汽车)而设计的。一些方法依赖于笨重、耗电的传感器，如 LiDAR 激光测距仪，而小型机器人根本无法携带或为其供电。其他方法则使用视觉，这是一种非常省电的传感器，可提供有关环境的丰富信息。然而，这些方法通常试图创建高度详细的环境 3D 地图。这需要大量的处理和内存，而这些只能由计算机来提供，而对于微型机器人来说，计算机太大且耗电。

计算步数和视觉面包屑

这就是为什么一些研究人员转向大自然寻求灵感。昆虫尤其有趣，因为它们可以在与许多现实世界应用相关的距离上活动，同时使用非常稀缺的传感和计算资源。生物学家对昆虫使用的潜在策略有了越来越多的了解。具体来说，昆虫将跟踪自己的运动(称为“里程计”)与基于低分辨率但几乎全向的视觉系统(称为“视觉记忆”)的视觉引导行为相结合。尽管里程计甚至在神经元层面上也越来越被人们所理解，但视觉记忆背后的精确机制仍然不太为人所知。关于其工作原理的最早理论之一提出了一种“快照”模型。在该模型中，昆虫(例如蚂蚁)被提议偶尔拍摄其环境的快照。后来，当昆虫接近快照时，它可以将其当前的视觉感知与快照进行比较，并移动以最小化差异。这使得昆虫可以导航或“回到”快照位置，从而消除仅执行里程计时不可避免地积累的任何漂移。

“基于快照的导航可以比作汉塞尔和格莱特童话中汉塞尔试图不迷路的方式。当汉塞尔在地上扔石头时，他可以回到家。然而，当他扔面包屑被鸟吃掉时，汉塞尔和格莱特就迷路了。在我们的例子中，石头就是快照。”这项研究的第一作者汤姆·范·迪克说，“就像石头一样，要使快照起作用，机器人必须足够靠近快照位置。如果视觉环境与快照位置的视觉环境相差太大，机器人可能会朝错误的方向移动，并且再也回不来了。因此，必须使用足够多的快照——或者在汉塞尔的例子中，扔下足够数量的石头。另一方面，把石头扔得太近会很快耗尽汉斯的石头。对于机器人来说，使用太多快照会导致大量内存消耗。该领域之前的研究中，快照通常非常接近，这样机器人就可以首先视觉定位到一个快照，然后再定位到下一个快照。”

“我们策略背后的主要见解是，如果机器人基于里程计在快照之间移动，那么您可以将快照间隔得更远。”仿生无人机全职教授兼文章合著者 Guido de Croon 说道，“只要机器人最终足够接近快照位置，即只要机器人的里程计漂移落在快照的收集范围内，导航就会起作用。这也使机器人能够行进得更远，因为机器人在导航到快照时飞行的速度比基于里程计从一个快照飞到下一个快照时要慢得多。”

这项受昆虫启发的导航策略让一架重量 56 克、配备全向摄像头的“CrazyFlie”无人机能够仅用 0.65 千字节覆盖 100 米的距离。所有视觉处理都在一台称为“微控制器”的微型计算机上进行，这种计算机在许多廉价电子设备中都有。

让机器人技术发挥作用

“所提出的受昆虫启发的导航策略是将微型自主机器人应用于现实世界的重要一步。”Guido de Croon 说，“所提出的策略的功能比最先进的导航方法更有限。它不会生成地图，只允许机器人返回起点。不过，对于许多应用来说，这可能已经足够了。例如，对于仓库中的库存跟踪或温室中的作物监测，无人机可以飞出去，收集数据，然后返回基站。它们可以将与任务相关的图像存储在小型 SD 卡上，以供服务器进行后期处理。但它们本身不需要它们进行导航。”