飞蛾教无人机导航
波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员观察了飞蛾如何在森林中飞行，以改善自主无人机的控制程序
作者：凯瑞·本森（Kerry Benson）最初出现在The Brink
最近在一个实验室里发生了一种相当不寻常的情况——飞蛾在玩一种“电子游戏”，它们在投影仪屏幕上显示的虚拟森林中飞翔。
波士顿大学的工程师和华盛顿大学的生物学家正在追踪每只飞蛾的运动。该团队正在利用飞蛾数据开发新的导航程序，为自主无人机提供更好的方向感。他们的最新澳门威尼斯人注册网站研究成果最近发表在《公共科学图书馆计算生物学》杂志上，该澳门威尼斯人注册网站研究部分由750万美元的国防部多学科大学澳门威尼斯人注册网站研究计划（MURI）资助，用于开发可以穿越陆地、海洋和空中的自动导航车辆。
飞蛾帮助团队克服了导航挑战？长期以来，从事自动驾驶汽车控制程序的工程师们一直在与他们所谓的“维度诅咒”（curse of dimensionality）作斗争，也就是说，在一个多维世界中航行的无人机，在任何给定的时间都有太多的选择要考虑（飞行的方向、距离、速度等等），以至于很难确定最佳路径。机器人并不是天生就能做出这些决定的——但生物却能。
“人类和动物都是理想的航海家；他们是我们的专家，”波士顿大学工程学院电气和计算机、生物医学和系统工程教授扬尼斯·帕斯查里迪斯说，他是这项新澳门威尼斯人注册网站研究的资深作者。
他说：“它们学得非常快，在非常复杂的环境中也能快速导航。”“如果我们能够观察它们并了解它们正在使用的[导航策略]，我们就可以把这些作为我们的起点。然后，通过更少的计算工作量，我们可以调整这些策略，以适应任何新情况和任何需要在特定环境中导航的新无人机。”
在环境中导航的方式不止一种，但兼任波士顿大学信息与系统工程中心主任的帕斯查里迪斯及其合作者发现，飞蛾和许多其他物种一样，主要依靠一种称为光流的视觉感知模式。这意味着当飞蛾飞行时，它们通过跟踪周围环境的移动方式来感知自己的位置。人类也使用这种策略；想象一下，当你在车里，靠近路边的一个标志。起初，标志在你前面，但当你开车经过它时，它似乎滑到你后面了。这个标志并没有从它的位置移动，但它已经在你的视野中移动了，这种明显的移动告诉你的大脑你的速度有多快，以及你相对于这个标志的位置。
然而，光流原理本身还不足以安全地引导一架自主无人机绕过障碍物（或者飞蛾，它们似乎因燃烧的热光而烧毁自己而臭名昭著）。因此，帕斯查里迪斯和包括华盛顿大学神经生物学家托马斯·丹尼尔在内的团队，将他们从分析飞蛾中获得的知识与另一种导航策略结合起来，该策略可以绘制障碍物的具体位置。例如，像山猫这样的动物使用障碍物检测策略来分析森林的广阔区域，注意树木的位置，并规划出一条避免撞到树木的路径。
澳门威尼斯人注册网站研究人员创建了两个导航程序，在无人机上进行计算机模拟试验：一个程序封装了飞蛾的光流导航策略；第二个增强的程序将飞蛾的策略与障碍物检测策略结合起来。利用这些程序，他们让一架模拟无人机在各种虚拟森林中飞行。
增强的程序比飞蛾单独的策略更有效地导航，但有一个大问题：增强的程序必须重新调整，以便在每个新的森林模拟中表现最佳。相比之下，飞蛾的策略更能适应新环境。虽然它没有在不同的森林环境中选择绝对最佳的路径，但它的策略可以在各种场景中表现得更好，而无需通过人工输入进行调整。
“这种稳健性是由于[飞蛾的导航策略]没有被优化到在非常特定的环境中做得非常好。这种策略在许多不同的环境中都很有效，因为这些动物需要适应才能生存，”Paschalidis说。
如今的无人机通常是针对已知参数的特定任务进行优化的，但它们无法在未知的地形上自主导航。自主无人机仍然需要改进，但向它们灌输更适应性强的生物导航策略，有朝一日可以让它们在各种全新的环境中为我们服务，从农业活动到远程救援任务，从未知的农村地区到动态的、充满障碍的城市。
“我们希望通过我们开发的这个新框架，我们可以观察其他动物，”帕斯查里迪斯说。波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员与波士顿大学系统神经科学中心合作，还计划通过电极记录大脑信号，并在人类的情况下使用非侵入性的功能性MRI技术，来探索生物导航策略的神经基础。
Paschalidis说：“结合行为观察，如果我们能够了解大脑中发生的事情，我们就有希望更清楚地了解我们和其他物种是如何在复杂的地形中导航的。”“然后，我们将能够吸取这些经验教训，应用它们，并提取[导航策略]，这将导致更自主，更适应的机器人系统。”