忘川彼岸|最小无线可操控摄像机问世：可装在甲虫头部，向手机实时传输视频
华盛顿大学的工程师们设计了一种小巧、高效的机器人视觉系统 ， 该系统总重量只有 250mg ， 相当于一张卡片重量的 1/10 。 研究人员将其固定在活甲虫的身上 ， 并能够以 1-5 帧 / 秒的速度向智能手机实时传输视频 。
这项研究成果发表在最新一期的 Science Robotics 上 。
在电影《蚁人》中 ， 主人公通过缩小身体尺寸 ， 可以随意穿梭于各种岩石缝隙 。 更为震撼的是 ， 通过昆虫第一视角看到的景象 ， 和我们的认知大为不同 。
现在 ， 华盛顿大学的科研人员让电影情节变成了现实 。 副教授 Shyam Gollakota 带领他的团队 ， 在微软奖学金和美国自然科学基金会的资助下 ， 设计了一款小到可以安装在甲虫背部的视觉系统 ， 该系统可以通过蓝牙装置实时传输甲虫第一视角画面 ， 通信范围比足球场略大 ， 为 120 米 。
为什么会选择甲虫？是什么启发了工程师将机械装置和活体生物联系起来？这项研究始于对这样一个问题的探索——如何实现微型机器人视觉功能？
长久以来 ， 复杂的视觉系统必然伴随大尺寸、高能耗 ， 也就是说 ， 只有大型机器人才配拥有视觉系统 。 而微型机器人 ， 要么无法安装视觉装置（尺寸过大） ， 要么必须带一根长长的线——用来通信和供电 ， 否则续航能力堪忧 。
因此 ， 如何给微型机器人设计一款低能耗、高续航、无线的视觉系统 ， 成为机器人领域工程师们的重大挑战 。
为了解决这个难题 ， Gollakota 和他的团队抛开工程领域 ， 到生物学领域寻求答案 。 通过对一系列生物视觉系统的研究 ， 工程师们发现了有意思的现象 。
从低级物种到高级物种 ， 生物体为视觉系统供给的能量是不一样的 。 比如浮游生物 ， 虽然低级 ， 但通过长期的进化 ， 它们真正做到了视觉系统的“高性价比” ， 这恰恰是研究人员想在机器人身上实现的 。
“高性价比”有两个特征：能省就省 ， 够用就好 。
华盛顿大学的工程师们发现 ， 人类作为最高等的生物 ， 我们的眼睛和视觉皮质占人体总重量的 0.6% ， 而昆虫类 ， 比如苍蝇 ， 该比例却高达 2.5%-13% 。
质量占比越高 ， 意味着能耗越大 。
拿苍蝇种族中的绿头苍蝇为例 ， 且不说整个视觉系统 ， 单单一个视网膜 ， 就消耗了其代谢能量的 8% 。
如此高的能耗 ， 是自然界所无法接受的 。 因此在漫长的进化中 ， 昆虫 “学会” 了一整套节约能耗的办法 。
第一招 ， 只在视网膜的一小片区域发展视觉功能 。 这有点 “集中优势兵力打击敌人” 的意味 ， 既然视网膜耗能太高 ， 昆虫就缩小视网膜的视觉能力范围 。
第二招 ， 多转头 ， 少动身体 。 如果昆虫想要获得其他方位的画面信息 ， 不需要移动身体 ， 它们的头部可以独立于身体转动 。 转动头部显然比移动身体更节约能量 。 更有甚者 ， 头也不转 ， 可以转眼睛 。
【忘川彼岸|最小无线可操控摄像机问世：可装在甲虫头部，向手机实时传输视频】用工程师的话来说 ， 这一招实现了“高效能收集视觉信息” 。
了解到这些关键点 ， Gollakota 团队尝试将其应用在机器人视觉系统的设计中 。
他们的规划是 ， 首先把设计的装置固定在活体甲虫背面 ， 以测试其效果 ， 然后用甲虫大小的机器人替换甲虫 ， 最终实现带有视觉系统的微型机器人设计 。
Gollakota 等人设计的这一套机器视觉系统 ， 可以说是昆虫视觉系统的人工版本 。
在分辨率上 ， 该系统采用的图像传感器精度和昆虫相当 ， 较低的分辨率意味着更轻、更节约电量 。 最终的设计也体现了这一点 ， 整套视觉系统总重 250mg ， 相当于一张卡片的 1/10 重量 。
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