向螞蟻學(xué)習(xí)！六足機(jī)器人可利用偏振太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航

雷鋒網(wǎng)消息，一直以來(lái)，昆蟲(chóng)憑借其非常迷你的神經(jīng)結(jié)構(gòu)和傳感能力，實(shí)現(xiàn)了非常高超的智力和能力，給人們留下了非常深刻的印象。昆蟲(chóng)必須進(jìn)化的非常聰明，才能適應(yīng)各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，沙漠螞蟻就是一個(gè)很好的例子。

大多數(shù)螞蟻都是依靠信息素追溯氣味痕跡來(lái)導(dǎo)航，但沙漠的炎熱環(huán)境意味著信息素?zé)o法維持很長(zhǎng)時(shí)間，而沙漠螞蟻則是依賴于計(jì)步、光流、地標(biāo)和太陽(yáng)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航。這些技術(shù)對(duì)用于探索太陽(yáng)系的微型機(jī)器人來(lái)說(shuō)非常適用，因?yàn)樘?yáng)系中沒(méi)有GPS導(dǎo)航，機(jī)器人的尺寸和能源也無(wú)法支撐復(fù)雜的大型精密傳感器。

在今天的《科學(xué)機(jī)器人》雜志上，研究人員講述了如何應(yīng)用從沙漠螞蟻身上獲得的靈感為機(jī)器人構(gòu)建導(dǎo)航工具，讓它在沒(méi)有GPS、SLAM等復(fù)雜系統(tǒng)的情況下四處漫游后仍然能找到回家的路。

首先來(lái)看看沙漠螞蟻是如何導(dǎo)航的，一般來(lái)說(shuō)，它們使用的系統(tǒng)叫做“路徑整合”，本質(zhì)上和我們所說(shuō)的“航跡推算”是一樣的。通過(guò)跟蹤螞蟻在一段時(shí)間內(nèi)走過(guò)的距離和方向，它們可以計(jì)算出返回起點(diǎn)的最直接路徑。如果螞蟻向北移動(dòng)一段距離，然后向東移動(dòng)兩倍距離，它就能知道通過(guò)向南和向西行進(jìn)最終接近其起始位置，并且一旦它接近就可以直觀地識(shí)別地標(biāo)，以準(zhǔn)確回到它的巢穴。

沙漠螞蟻在這方面非常擅長(zhǎng)，如下圖所示，在大約20分鐘的旅行之后，這個(gè)不足1厘米長(zhǎng)的螞蟻在短短六分鐘內(nèi)就能大致畫(huà)出一條直線，直接回到自己600米外的巢穴。

為了使路徑集成起作用，螞蟻必須跟蹤距離和方向。距離是其中比較容易的一個(gè)，因?yàn)槲浵伩梢允褂貌綌?shù)和光流的組合，但方向是一個(gè)棘手的問(wèn)題，眾所周知，螞蟻和其他昆蟲(chóng)可以使用太陽(yáng)來(lái)導(dǎo)航，跟蹤其在天空中的位置，修正地球自轉(zhuǎn)的影響以及隨之而來(lái)的太陽(yáng)隨時(shí)間的表觀運(yùn)動(dòng)。這不僅在晴天時(shí)起作用，螞蟻的眼睛有對(duì)偏振光敏感的光感受器，即使在陰天時(shí)也能指示太陽(yáng)的方向，另外螞蟻對(duì)紫外線也很敏感，能透過(guò)云層和樹(shù)葉看到陽(yáng)光。

AntBot試圖復(fù)制沙漠螞蟻的感應(yīng)系統(tǒng)，這是一種2.3千克的六足機(jī)器人其具體的物理參數(shù)對(duì)于這項(xiàng)研究來(lái)說(shuō)并不是那么重要，重要的是AntBot的傳感器，其中包括一個(gè)光流傳感器和一個(gè)“天體羅盤(pán)”，后者由一對(duì)帶有旋轉(zhuǎn)線性偏振器的紫外光傳感器組成。羅盤(pán)分析來(lái)自這兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)之間的對(duì)數(shù)比，以確定入射光的偏振角，它使用偏振角來(lái)確定太陽(yáng)在哪里，因此它指向哪個(gè)方向。AntBot的計(jì)算非常準(zhǔn)確，當(dāng)天空略微多云時(shí)，中位誤差僅為0.02°，在陰天下為0.59°。

就像沙漠螞蟻一樣，將光流距離跟蹤、步數(shù)計(jì)算和天體導(dǎo)航結(jié)合起來(lái)，AntBot能夠在大約14米的距離內(nèi)反復(fù)隨機(jī)游走，然后成功返回起點(diǎn)。除此之外，AntBot還需要做一些工作來(lái)證明它和螞蟻一樣有天賦。

研究人員指出，沙漠螞蟻只有1厘米長(zhǎng)，可測(cè)量732.6米范圍的軌跡，而目前機(jī)器人直徑為45厘米，在實(shí)驗(yàn)中行走速度約為每秒10厘米，若以螞蟻的導(dǎo)航性能衡量，AntBot應(yīng)該覆蓋超過(guò)32公里才算合格。雖然AntBot可以以高達(dá)每秒90厘米的速度行走，但要實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模導(dǎo)航，還需要改進(jìn)六足機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源。這些改進(jìn)將使它可以在更自然的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，例如崎嶇的環(huán)境下的粗糙的地形。

有證據(jù)表明，人類可能已經(jīng)使用類似的技術(shù)導(dǎo)航了幾個(gè)世紀(jì)，維京人（以及后來(lái)可能從維京人那里得到這個(gè)想法的航海文化）也許能夠依靠偏振光，利用一種具有雙折射性質(zhì)的礦物質(zhì)“日長(zhǎng)石”在陰天下找到太陽(yáng)的位置。雙折射礦物是偏振器，當(dāng)光進(jìn)入它們時(shí)，它會(huì)分裂成兩條光線，根據(jù)光源相對(duì)于石頭的位置，它通過(guò)石頭采用不同的路徑。通過(guò)在天空中觀察石頭，可以使用雙折射來(lái)確定太陽(yáng)在幾度內(nèi)的位置，即使是完全陰天，或者太陽(yáng)在地平線以下。你只需要一點(diǎn)陽(yáng)光，太陽(yáng)石就能工作。

最常見(jiàn)的雙折射礦物是方解石，維京人可能接觸過(guò)它。一些維京人的傳說(shuō)直接提到了日長(zhǎng)石，而模擬顯示，使用日長(zhǎng)石可能會(huì)對(duì)維京人在開(kāi)闊的海洋上進(jìn)行長(zhǎng)期航行的能力產(chǎn)生巨大的影響。維京人的船和埋葬地并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多少方解石，由于礦物質(zhì)的流失，方解石相當(dāng)脆弱，在水下或地下不可能保存很長(zhǎng)時(shí)間。如果他們并未曾使用這樣的東西來(lái)導(dǎo)航的話，只能說(shuō)他們確實(shí)應(yīng)該試一試，因?yàn)槲浵伜蜋C(jī)器人都得到了很好的結(jié)果。