机器人专家可以从强盗苍蝇身上学到很多关于在飞行途中拦截目标的知识

2022-02-16 23:46:11

强盗苍蝇是一种空气动力学特技演员,能够发现猎物,躲避障碍物,并在飞行中高速捕捉较小的昆虫。科学家们更仔细地观察了强盗苍蝇是如何完成这一惊人的壮举的,尽管它们的大脑只有一粒沙子那么大。根据发表在《实验生物学杂志》上的一篇新论文,苍蝇结合了两种不同的基于反馈的导航策略:一种是在视线清晰时拦截猎物,另一种是允许苍蝇在飞行路径上的任何障碍物周围转弯。

机器人技术面临的挑战之一是如何设计能够在杂乱环境中导航的机器人——人类和其他动物每天都会本能地做到这一点。根据作者的说法,许多机器人系统依赖于一种路径规划:使用声音(声纳)或激光发送信号,然后检测反射。然后,这些数据可以用来绘制周围环境的距离图。

但与使用简单的视觉线索(即反应性方法)相比,就能源使用而言,路径规划是一种成本高昂的方法。人类和其他动物没有';不需要详细的地图或特定的目标知识#39;s的位置、速度和其他细节。我们只是对环境中的任何相关刺激做出实时反应。因此,设计基于生物系统的导航行为算法是机器人学家非常感兴趣的。

过去的研究集中在各种物种的能力上,包括果蝇、鸽子以及人类,它们在混乱的环境中生存的能力。 "然而,在这些情况下,避障是唯一的目标,";作者写道"当特定位置作为目标时,在障碍物周围导航更具挑战性,因为对障碍物的厌恶必须通过导航目标来平衡"

那';这是为什么伦敦帝国学院的生物工程师Samuel Fabian和来自明尼苏达大学的三名合作者决定用掠夺性强盗蝇(Holocephala fusca)作为实验对象进行他们自己的实验。强盗苍蝇之所以被选中,是因为其捕捉猎物的高度可预测的拦截路径。此外,它体积小,飞行速度相对较快(大多数航班持续时间不到一秒钟)";需要以最少的计算工作量快速做出反应,";作者写道。

法比安等人把强盗比作苍蝇';它的狩猎行为与猎鹰、鹰和现代导弹的狩猎行为不同。强盗苍蝇通常通过栖息在能清晰看到天空的地方进行捕猎。一旦强盗苍蝇发现了潜在的猎物并开始追捕,苍蝇必须导航以拦截猎物并避开沿途的任何障碍物,如错误的树枝。

强盗苍蝇被呈现出一个移动的目标,其形状是一个银色的小反光珠,沿着带滑轮和步进电机的透明钓鱼线拉动"苍蝇真的没有';我不知道';它不是真正的猎物,即使距离很近,";费边说"如果某个东西足够小,他们通常会假设它#39;这是食物"

框架上还有一个障碍物:一根涂有黑色丙烯酸漆的醋酸纤维棒,可以是薄的(2.5厘米)或厚的(5厘米),放置在目标路径的正下方"杆的准确位置和苍蝇的初始轨迹决定了物体是否成为飞行路径上的障碍物,以及它是否遮挡了目标;作者写道。

研究人员记录了野外条件下的所有飞行,以获得最自然的行为。接下来,他们用数字技术重建了26架在障碍物存在的情况下追逐移动珠子的强盗苍蝇。操纵头顶上的设备往往会惊吓苍蝇,因此这26次飞行代表的是那些在装置安装在苍蝇周围时仍停留在栖木上的苍蝇,而不是飞走的苍蝇。

结果是:在没有障碍物的情况下,盗蝇在整个接近过程中都保持着与珠子相同的视线,以便拦截和捕获猎物。当一根薄或厚的黑条在短时间内(不到0.1秒)部分遮住它们的视线时,苍蝇会进行躲避动作,绕过障碍物,然后返回航道进行拦截。有时一只苍蝇会对一根黑杆做出反应,即使黑杆没有';不要模糊他们的视线。当研究人员遮住苍蝇时#39;如果视线超过0.1秒,苍蝇就会完全放弃拦截。

Fabian等人得出结论,强盗苍蝇采用了一种简单的避障策略,并将其与标准拦截策略相结合,他们称之为组合制导"障碍物在他们视野中越快变大,他们越是远离它,";费边说。一旦障碍物开始从视线中消失,苍蝇就会回到拦截轨道"即使在专注于目标的时候,他们也在关注周围的环境"

这";证明了避障可以是简单反馈定律的产物,不需要绝对了解距离、大小或速度,";作者写道,与之前的研究一致,简单的反馈规律也可以解释苍蝇#39;拦截策略。诚然,这是基于有限的实地试验,该团队希望在未来进行更多的试验。