“蜘蛛侠感官”可以使机器“看得”更清楚吗?

如果无人机和自动驾驶汽车具有蜘蛛侠那种令人兴奋的“蜘蛛侠感官”呢?普渡大学机械工程学助理教授安德烈斯·阿里塔说:它们实际上可能能更好地探测和躲避物体,因为它们能更快地处理感官信息。更好的传感能力将使无人机能够在危险环境中导航,并使汽车能够防止人为失误造成的事故。目前最先进的传感器技术处理数据的速度还不够快,但大自然已经做到了,研究人员也不必制造放射性蜘蛛来赋予自主机器超级英雄的感知能力。

相反,普渡大学的研究人员根据蜘蛛、蝙蝠、鸟类和其他动物的灵感制造了传感器,蜘蛛的实际感知是与一种叫做机械感受器的特殊神经元相连的神经末梢。神经末梢(机械感受器)只检测和处理对动物生存至关重要的信息,它们以毛发、纤毛或羽毛的形式出现。智能系统已经可以收集到大量的数据,而且这个速度比传统计算处理的速度还要快。实验室将自然原理应用到结构设计中,从机器人到飞机机翼大自然不必收集每一项数据,它过滤掉了它所需要的。许多生物机械传感器根据阈值(如压力或温度的变化)过滤数据——即它们从环境中接收到的信息。

  • 研究人员正在给无人驾驶飞机和汽车的外壳安装蜘蛛感应装置,以便更好地探测物体。图片:Taylor Callery

例如,蜘蛛毛茸茸的机械感受器就位于它的腿上。当蜘蛛的网以与猎物或配偶相关的频率振动时,机械感受器会检测到它,在蜘蛛体内产生一种反射,然后迅速做出反应。机械传感器无法探测到较低的频率,比如蛛网上的灰尘,因为这对蜘蛛的生存并不重要。这个想法是将类似的传感器直接集成到自动机器外壳中,比如飞机的机翼或汽车的车身。受蜘蛛毛发启发而设计的机械传感器可以被定制来检测预定的力。在现实生活中,这些力将与一个自治机器需要避免的特定对象相关联。

但是他们开发的传感器不仅能以非常快的速度感知和过滤,还能计算,而且不需要电源。硬件和软件在本质上没有区别,这一切都是相互关联的,传感器的作用是解释数据,并收集和过滤数据。在自然界中,一旦某个特定的力水平激活了与毛状机械传感器相关的机械感受器。这些机械感受器就会通过从一种状态切换到另一种状态来计算信息。普渡大学的研究人员与新加坡南洋理工大学(Nanyang Technology University)和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)合作:

设计了同样的传感器,并利用这些开关状态来解释信号,智能机器将根据这些传感器计算的结果做出反应。这些人工机械传感器由于硬度高,能够非常迅速地感知、过滤和计算。传感器材料被设计成在外力作用下快速改变形状。形状的改变使材料内部的导电粒子相互靠近,从而使电流通过传感器并携带信号。这个信号通知自治系统应该如何响应。在机器学习算法的帮助下,可以训练这些传感器以最小的能耗自主工作,制造各种尺寸的传感器也没有障碍。