背著相機的甲蟲登上Science子刊,它拍下了昆蟲界第一部Vlog

2021-01-21 機器之心Pro

機器之心報導

編輯：蛋醬、小舟

你知道昆蟲的視界是什麼樣的嗎？

如果昆蟲也成為了一名 Vlogger，作品會是什麼樣的？

近日，一項在甲蟲背部安裝相機的研究登上《Science Robotics》，為我們揭曉了這一謎題。通過了解自然界中昆蟲的視覺系統並做出取捨，研究者以平衡能量、計算量和質量的方式，為昆蟲規模的機器人設計出更好的視覺系統。

讓身長不足三釐米的甲蟲背上相機，這件事並不簡單。在人類看來最微小的攝像機，也足以壓垮昆蟲。因而，研究者首先思考的問題是：如何打造出一款適用於昆蟲搭載的可操縱攝像機？

在該研究中，研究者設計出一種完全無線、動力自動化、機械可操縱的視覺系統。該系統用足夠小的形狀因子模仿昆蟲的頭部運動，可以安裝在活的甲蟲或類似大小的陸地機器人背部。

對於昆蟲大小的機器人來說，無線視覺提供了豐富的環境形狀和紋理信息。這在大型機器人中很常見，但在資源有限的小型平臺上卻是一個挑戰。

安裝在甲蟲或類似大小的機器人背上的相機基本構造。

電子設備的執行器重 248 毫克，並且可以根據智慧型手機的命令將相機轉向 60 度。製作好的相機約為硬幣大小，以每秒 1 到 5 幀（fps）將 「第一人稱主視角」 以 160*120 像素的單色視頻傳到距離 120 米遠的藍牙無線電中。

研究者將該視覺系統安裝在兩種自由行走的活甲蟲上，使用板載加速度計觸發圖像捕獲，在 10 毫安時的電池下操作時長可以達到 6 個小時。

電子圖像傳感器遵循與生物眼睛相似的趨勢，由於更簡單，解析度更低的圖像傳感器消耗更少的質量和能源，所需的計算量也更少。在許多小型移動相機的興趣場景中，圖像解析度是一個限制因素。研究者沒有削減解析度或視野，而是探索了自然界中使用的方法。並設計了一個機械可操縱的視覺系統，模仿頭部運動。

研究者還加入了一個超小型壓電懸臂驅動器和一個微製造的槓桿臂來操縱攝像機。通過合併轉向，系統提供了更高的解析度，可能與廣角鏡頭覆蓋相同的視野。研究者進一步表明，該系統的移動裝置實際上比移動昆蟲或機器人的身體更有效，最大限度地減少了對電池壽命的影響，並允許鎖定移動物體。

用這樣的方法，研究者開發了一個完全無線的機械可操縱視覺系統。它的形狀因子足夠小，可以安裝在活的甲蟲和類似大小的陸地機器人的背上。

對於活的昆蟲來說，無線第一人稱視角代表了一種之前從未展示過的能力。這可以用於研究昆蟲的行為，例如在會受到控制的實驗室環境之外，它們如何感知和相互作用，以及它們與環境之間的相互影響。

將微型黑白相機裝在昆蟲背部，然後放它自由爬行，攝像機會將照片和視頻傳回 iPhone，從中我們可以窺見甲蟲眼中的萬物：

為了讀取相機數據，研究者重新調整了串行外設接口（SPI）的用途，該接口可以訪問 DMA。通過 SPI 接口讀取數據需要數據信號，時鐘信號合片選信號（CS）。為了提供協議要求的缺失 CS 信號，研究者利用了攝像機的行有效輸出。該信號配置為觸發藍牙晶片上的中斷，該中斷觸發輸出引腳以 「欺騙」 缺失的 CS 信號。

與平常的移動整個機器人的方式相比，這種可操縱的視覺系統使得目標跟蹤和廣角視圖的能耗降低為 1/26 或 1/84。

從昆蟲的視角來看，普通馬克杯或是魔方，都能變為高聳的建築物。

這種身背機器的昆蟲顯然無法貢獻高清晰的圖像，但甲蟲攝影師卻有獨特的好處：它能夠在崎嶇的地面爬行，並鑽進巖石縫隙和狹窄管道中探索內部景象。

鑑於昆蟲是活體，不容易操縱，研究者還設計了一款小型昆蟲規模的機器人，以便對其進行完全的遠程控制。這是有史以來最小的具有動力自主功能的地面機器人，體型為 1.6 釐米 x 2 釐米，移動速度約為每秒 3.5 釐米，在現有的供能條件下可連續運行 63 到 260 分鐘。

下一步，研究者計劃將該無線攝像系統安裝在飛行類生物身上，這也許會帶來新的挑戰，例如大黃蜂只能攜帶 100 毫克到 200 毫克的重量。通過使用定製傳感器和不同類型的鏡頭，攝像機本身也還可以等比例縮小。電源系統是其中的主要限制，這一點或許可以通過太陽能供電來解決。

參考連結：

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/uw-micro-camera

https://robotics.sciencemag.org/content/5/44/eabb0839

https://www.sciencemag.org/news/2020/07/watch-tiny-camera-show-world-bug-s-point-view

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