向螞蟻學習!六足機器人可利用偏振太陽光實現精確導航

雷鋒網消息，一直以來，昆蟲憑藉其非常迷你的神經結構和傳感能力，實現了非常高超的智力和能力，給人們留下了非常深刻的印象。昆蟲必須進化的非常聰明，才能適應各種具有挑戰性的環境，沙漠螞蟻就是一個很好的例子。

大多數螞蟻都是依靠信息素追溯氣味痕跡來導航，但沙漠的炎熱環境意味著信息素無法維持很長時間，而沙漠螞蟻則是依賴於計步、光流、地標和太陽來進行導航。這些技術對用於探索太陽系的微型機器人來說非常適用，因為太陽系中沒有GPS導航，機器人的尺寸和能源也無法支撐複雜的大型精密傳感器。

在今天的《科學機器人》雜誌上，研究人員講述了如何應用從沙漠螞蟻身上獲得的靈感為機器人構建導航工具，讓它在沒有GPS、SLAM等複雜系統的情況下四處漫遊後仍然能找到回家的路。

首先來看看沙漠螞蟻是如何導航的，一般來說，它們使用的系統叫做「路徑整合」，本質上和我們所說的「航跡推算」是一樣的。通過跟蹤螞蟻在一段時間內走過的距離和方向，它們可以計算出返回起點的最直接路徑。如果螞蟻向北移動一段距離，然後向東移動兩倍距離，它就能知道通過向南和向西行進最終接近其起始位置，並且一旦它接近就可以直觀地識別地標，以準確回到它的巢穴。

沙漠螞蟻在這方面非常擅長，如下圖所示，在大約20分鐘的旅行之後，這個不足1釐米長的螞蟻在短短六分鐘內就能大致畫出一條直線，直接回到自己600米外的巢穴。

為了使路徑集成起作用，螞蟻必須跟蹤距離和方向。距離是其中比較容易的一個，因為螞蟻可以使用步數和光流的組合，但方向是一個棘手的問題，眾所周知，螞蟻和其他昆蟲可以使用太陽來導航，跟蹤其在天空中的位置，修正地球自轉的影響以及隨之而來的太陽隨時間的表觀運動。這不僅在晴天時起作用，螞蟻的眼睛有對偏振光敏感的光感受器，即使在陰天時也能指示太陽的方向，另外螞蟻對紫外線也很敏感，能透過雲層和樹葉看到陽光。

AntBot試圖複製沙漠螞蟻的感應系統，這是一種2.3千克的六足機器人其具體的物理參數對於這項研究來說並不是那麼重要，重要的是AntBot的傳感器，其中包括一個光流傳感器和一個「天體羅盤」，後者由一對帶有旋轉線性偏振器的紫外光傳感器組成。羅盤分析來自這兩個傳感器的數據之間的對數比，以確定入射光的偏振角，它使用偏振角來確定太陽在哪裡，因此它指向哪個方向。AntBot的計算非常準確，當天空略微多雲時，中位誤差僅為0.02°，在陰天下為0.59°。

就像沙漠螞蟻一樣，將光流距離跟蹤、步數計算和天體導航結合起來，AntBot能夠在大約14米的距離內反覆隨機遊走，然後成功返回起點。除此之外，AntBot還需要做一些工作來證明它和螞蟻一樣有天賦。

研究人員指出，沙漠螞蟻只有1釐米長，可測量732.6米範圍的軌跡，而目前機器人直徑為45釐米，在實驗中行走速度約為每秒10釐米，若以螞蟻的導航性能衡量，AntBot應該覆蓋超過32公裡才算合格。雖然AntBot可以以高達每秒90釐米的速度行走，但要實現超大規模導航，還需要改進六足機器人的執行機構和電源。這些改進將使它可以在更自然的環境中進行測試，例如崎嶇的環境下的粗糙的地形。

有證據表明，人類可能已經使用類似的技術導航了幾個世紀，維京人（以及後來可能從維京人那裡得到這個想法的航海文化）也許能夠依靠偏振光，利用一種具有雙折射性質的礦物質「日長石」在陰天下找到太陽的位置。雙折射礦物是偏振器，當光進入它們時，它會分裂成兩條光線，根據光源相對於石頭的位置，它通過石頭採用不同的路徑。通過在天空中觀察石頭，可以使用雙折射來確定太陽在幾度內的位置，即使是完全陰天，或者太陽在地平線以下。你只需要一點陽光，太陽石就能工作。

最常見的雙折射礦物是方解石，維京人可能接觸過它。一些維京人的傳說直接提到了日長石，而模擬顯示，使用日長石可能會對維京人在開闊的海洋上進行長期航行的能力產生巨大的影響。維京人的船和埋葬地並沒有發現多少方解石，由於礦物質的流失，方解石相當脆弱，在水下或地下不可能保存很長時間。如果他們並未曾使用這樣的東西來導航的話，只能說他們確實應該試一試，因為螞蟻和機器人都得到了很好的結果。