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蝗虫神经元能够帮助改善自动驾驶之间的碰撞

2020-08-27 09:16
智车科技IV
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在机器人技术和自动驾驶汽车领域,准确检测潜在碰撞并及时触发逃生响应至关重要安全。蝗虫中的小叶巨人运动检测器(LGMD)神经元,可以检测到正在接近的物体,并防止成群的蝗虫发生碰撞。该单个神经元细胞对视觉刺激执行非线性数学运算,以最小的能量消耗引发逃逸反应。宾州州立大学研究团队使用模拟超大规模集成设计,实现了基于图像处理算法的防撞模型,能够模拟LGMD神经元逃逸反应的纳米级碰撞检测器。

巴基斯坦的蝗灾让人畏惧,数百万的蝗虫,飞过天空袭击农作物,久久无法散去。

作为科技研究领域,除了思考如何治理蝗灾,有一个事情也值得深思:在这些巨大的昆虫群中,为何单个昆虫不会相互碰撞。

这要归功于它们大脑中的一种特殊的神经元,称为Lobula巨人运动检测器(LGMD)。在为自动驾驶汽车内的复杂计算机设计更好的视觉效果时,也可以模拟该检测器,来避免碰撞。

宾夕法尼亚州立大学的机械工程师团队正在创建一种低功率碰撞检测器,该检测器可以模拟蝗虫回避响应,并可以帮助机器人,无人机甚至自动驾驶汽车避免碰撞。

宾州州立大学工程科学与力学助理教授,这项研究的合著者萨普塔什·达斯(  Saptarshi Das)周一发表在《Nature electronics》杂志上,他认为蝗虫即使在昆虫的视力方面也很独特。

戴斯说:“我们一直在寻找具有非凡能力的动物,它们的表现要比人类好。” 人们经常使用昆虫视觉来设计自动化系统……我们开始研究它的工作原理,而蝗虫简直令人难以置信。这些生物所能做的是非常谦卑的。”

尽管研究人员说,之前的工作试图为计算机系统模拟蝗虫的非凡脑细胞是令人鼓舞的,但这些系统的高能量要求和尺寸使其对于有效地缩放或部署在车辆中不切实际。该团队认为,其紧凑,节能的设计可能会突破这一创新领域。

为什么这些神经元如此特殊? 作者写道,使这些蝗虫的神经元如此奇异的部分原因是,它们有两种不同的方法来检测潜在的碰撞,然后对其做出反应。蝗虫具有广阔的视野(部分是由于它们略带蠕动,复眼),使LGMD神经元的一个分支“看到”正在接近的蝗虫,而神经元的另一分支“看到”了传入蝗虫的角速度目标,帮助蝗虫判断其接近速度。工程科学和力学专业的研究生,研究的第一作者Darsith Jayachandran说,合并的信息然后被推到蝗虫的大脑的另一部分,从而引发逃避碰撞的反应  。

Jayachandran说:“由于神经元有两个分支,所以蝗虫计算了这两个输入的变化,并意识到某些东西会发生碰撞。” “因此,避免蝗虫改变了方向。”

为了在汽车中模拟这种情况,研究小组在浮动内存(小型闪存单元)的顶部设计了一个小于.001毫米乘以0.005毫米的感光设备 。该设备通过响应入射光(它被解释为一个接近的物体)增加电流,并通过内部抑制信号减少电流来平衡刺激。

在碰撞事件中将这些“ 战斗或逃避”信号进行组合以生成非单调响应(一种人工推理),从而模仿蝗虫可能突然决定改变航向以避免撞车的情况。

研究人员使用光强度来表示即将发生的碰撞有多近,因此设计了一个避碰系统来模仿蝗虫。

为了测试他们的系统在实际中的运行情况,该团队使用了模拟汽车。该汽车能够检测到即将发生的碰撞,但是有限的深度和角度感知意味着该汽车无法预测威胁来自哪个方向,所以无法决定如何移动到避开它。

与像蝗虫一样,作者说使用这种特殊的神经元主要是为了避免与其他蝗虫发生碰撞,从理论上讲,用于汽车的装置不仅可以避免与其他车辆发生碰撞,也可以避免与行人发生碰撞。对于尤其要注意这一点。

研究人员计划扩大其汽车的刺激环境,使其包括不同速度,光线强度和轨迹的物体。他们希望这些进一步的实验将有助于改进其设备,并提高其在设计用于机器人和自动驾驶汽车的避碰系统时的实用性。

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