來感受蟻人視角:裝在昆蟲背上的GoPro,僅重0.25克

文丨學術頭條

你見過這樣的 GoPro 視角——

這樣的——

還有這樣的——

但你見過裝在昆蟲背上的 GoPro 嗎？

在電影《蟻人》中，蟻人可以縮小體型，騎在一隻昆蟲背上飛行。而現在，華盛頓大學的研究人員開發了一種微型無線可操控攝像機，它也可以搭載在昆蟲身上，讓每個人都有機會看到蟻人眼中的世界。

這個攝像頭安裝在一個可以旋轉 60 度的機械臂上，以每秒 1 到 5 幀的速度向智慧型手機傳輸視頻，允許觀看者捕獲高解析度圖像、全景拍攝或跟蹤移動的對象，且消耗最小的能量。

整個系統重約 250 毫克，相當於撲克牌的十分之一，為了展示它的多功能性，研究人員將其安裝在活甲蟲和昆蟲大小的機器人上進行了實驗。

相關研究結果於 7 月 15 日發表在《科學機器人》雜誌上。

亮點不在口罩和黑衣人眼神，而是左下角的那個黑點

「我們發明了一種低功耗、低重量的無線攝像系統，它可以從活生生的昆蟲身上以第一人稱視角捕捉到發生的事情，也可以為小型機器人創造視覺。」研究論文資深作者、華盛頓大學艾倫計算機科學與工程學院副教授 Shyam Gollakota 表示。

「視覺對於溝通和導航來說是非常重要的，但在如此小的尺寸上做到這一點是極具挑戰性的。因此，在我們的工作之前，無線視覺還不可能應用於小型機器人或昆蟲。」

微型、超低功耗昆蟲版 GoPro

典型的小型相機，比如智慧型手機上使用的那種，要捕捉廣角、高解析度的照片需要消耗大量能量，而這在昆蟲身上就行不通了。這是因為雖然攝像機本身很輕，但支撐攝像機的電池使得整個系統對昆蟲或昆蟲大小的機器人來說又大又重，無法隨身攜帶。

因此，研究人員決定從自然界中尋找靈感。

和攝像機一樣，動物的視覺系統也需要很大的能量。對於像人類這樣的大型生物來說，這算不上什麼大事，但對於蒼蠅來說，他們需要用 10% 到 20% 的靜息能量來驅動它們的大腦，其中大部分用於視覺處理。

「為了降低能耗，一些蒼蠅的複眼上只有一個小的高解析度區域。它們會轉過頭，以更清晰地轉向它們想看的地方，比如追逐獵物或配偶。這比在整個視野中擁有高解析度節省了能量。」論文共同作者、華盛頓大學機械工程助理教授 Sawyer Fuller 說。

研究團隊通過模仿蒼蠅的視覺系統，研發了一臺微型、超低功耗的黑白相機，它可以藉助機械臂掃描整個視野。當團隊施加高電壓時，手臂會移動，使材料彎曲，並將攝像機移動到所需的位置。

除非團隊使用更大的力量，否則手臂會保持這個角度一分鐘，然後放鬆回到原來的位置。這就像人們只能在很短的一段時間內把頭往一個方向轉，然後就會回到一個更中性的位置。

而且，這款攝像頭和手臂，可以通過藍牙由智慧型手機在 120 米外控制。

「通過移動相機的一個好處是，你可以在不消耗大量電能的情況下獲得廣角的視角。我們可以跟蹤一個移動的物體，而不需要花費能量來移動整個機器人。與使用廣角鏡頭相比，這些圖像的解析度更高，而且可以在更大的區域內分割出同樣數量的像素。」論文共同第一作者、華盛頓大學電子與計算機工程專業博士生 Vikram Iyer 說。

然後，研究人員將他們的迷你 GoPro 系統安裝在兩種不同類型的甲蟲背上——裝死甲蟲（death-feigning beetle）和松形甲蟲（Pinacate beetle）。

「我們確保甲蟲在攜帶我們的系統時仍能正常移動。他們能夠自由地穿過碎石，爬上斜坡，甚至爬樹。」論文共同第一作者、華盛頓大學電子與計算機工程專業博士生 Ali Najafi 說。

為了證明這套相機系統「人畜無害」，研究人員在實驗結束後，觀察到這些甲蟲還至少存活了一年時間。

世界上最小的無線可視機器人

此外，研究人員還在該套相機系統中增加了一個小型加速度計，以便能夠探測到甲蟲的移動，這樣就能讓相機只在甲蟲運動的這段時間裡開機工作。

「如果相機在沒有加速計的情況下持續拍攝，我們只能在電池耗盡前記錄一到兩個小時時長。有了加速計，我們可以記錄6個小時或更長時間，這取決於甲蟲的活動水平。」Iyer 說。

研究人員還利用他們的攝像系統，設計了世界上最小的具有無線視覺的電力自主機器人。這個昆蟲大小的機器人利用振動來移動，消耗的能量幾乎與低功耗藍牙無線電所需的能量相當。

不過，研究小組發現，昆蟲機器人運動時會使照相機抖動，從而產生扭曲的圖像。研究人員為了解決這個問題，設計讓機器人暫時停下來，拍張照片，然後繼續它的旅程。

通過這種策略，該整套系統仍能以每秒 2 到 3 釐米的速度移動，這比任何其他利用振動移動的微型機器人都要快，而且電池的壽命約為 90 分鐘。

稍作偽裝，就是絕佳的「偷拍」神器啊（上圖是真昆蟲，下圖是昆蟲大小的機器人）

研究人員表示，該系統的應用可以從生物學到探索新環境，「像甲蟲這樣的活蟲可以攜帶相機走動數小時甚至爬樹，由於遠遠超出了小型機器人的能力，因此開闢了使用帶有傳感器的昆蟲來監視農業、蟲害控制以及探索管道或其他密閉空間之類的可能性。」

未來版本的相機也將需要更少的電力，並且不需要電池，比如可以是太陽能的。

「這是我們第一次以第一視角從甲蟲的背部觀察到它四處行走的樣子。還有很多問題需要去探索，比如甲蟲會對環境中的不同刺激做出怎樣的反應，而且，昆蟲可以在巖石環境中穿行，因此，這個系統也可以幫助我們從難以導航的空間中看到或收集樣本。」Iyer 說。

事實上，這並不是華盛頓大學的研究人員第一次與昆蟲「合作」。2018年12月，他們宣布開發出了第一個飛行無線平臺，包括傳感器，無線通信和位置跟蹤器，其電源既強大又輕便，可以連接到大黃蜂上。

之後，華盛頓大學的工程師們又推出了 RoboFly，它是一種比牙籤略重的機器人昆蟲，由機器人上方附著的光伏電池供電。但是，憑藉其微小的電池，它最多只能完成起飛和降落。

儘管該團隊對輕量、低功耗移動相機的潛力感到興奮，但研究人員承認，這項技術也帶來了一系列新的隱私風險。

「作為研究人員，我們堅信把東西放到公共領域是非常重要的，這樣人們才會意識到風險，才會開始想出解決辦法來解決問題。」Gollakota 說。

不過，在擔心隱私問題之前，學術君更好奇的一個問題是，如果甲蟲不小心跑掉了，那 GoPro 還要得回來嗎？

研究團隊也公開了該項目的代碼，供任何人使用：

https://github.com/uw-x/insect-robot-cam

資料來源：

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

https://www.washington.edu/news/2020/07/15/robotic-camera-backpack-for-insects/

https://www.cnbc.com/2020/07/15/wireless-camera-can-ride-atop-a-beetle-and-end-images-to-smartphone.html

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