蚁人视角来了:装在昆虫背上的GoPro,仅重0.25克、60度旋转、6小时续航、120米智能手机遥控

你见过这样的 GoPro 视角——

这样的——

还有这样的——

但你见过装在昆虫背上的 GoPro 吗?

在电影《蚁人》中,蚁人可以缩小体型,骑在一只昆虫背上飞行。而现在,华盛顿大学的研究人员开发了一种微型无线可操控摄像机,它也可以搭载在昆虫身上,让每个人都有机会看到蚁人眼中的世界。

这个摄像头安装在一个可以旋转 60 度的机械臂上,以每秒 1 到 5 帧的速度向智能手机传输视频,允许观看者捕获高分辨率图像、全景拍摄或跟踪移动的对象,且消耗最小的能量。

整个系统重约 250 毫克,相当于扑克牌的十分之一,为了展示它的多功能性,研究人员将其安装在活甲虫和昆虫大小的机器人上进行了实验。

相关研究结果于 7 月 15 日发表在《科学机器人》杂志上。

亮点不在口罩和黑衣人眼神,而是左下角的那个黑点

“我们发明了一种低功耗、低重量的无线摄像系统,它可以从活生生的昆虫身上以第一人称视角捕捉到发生的事情,也可以为小型机器人创造视觉。”研究论文资深作者、华盛顿大学艾伦计算机科学与工程学院副教授 Shyam Gollakota 表示。

“视觉对于沟通和导航来说是非常重要的,但在如此小的尺寸上做到这一点是极具挑战性的。因此,在我们的工作之前,无线视觉还不可能应用于小型机器人或昆虫。”

微型、超低功耗昆虫版 GoPro

典型的小型相机,比如智能手机上使用的那种,要捕捉广角、高分辨率的照片需要消耗大量能量,而这在昆虫身上就行不通了。这是因为虽然摄像机本身很轻,但支撑摄像机的电池使得整个系统对昆虫或昆虫大小的机器人来说又大又重,无法随身携带。

因此,研究人员决定从自然界中寻找灵感。

和摄像机一样,动物的视觉系统也需要很大的能量。对于像人类这样的大型生物来说,这算不上什么大事,但对于苍蝇来说,他们需要用 10% 到 20% 的静息能量来驱动它们的大脑,其中大部分用于视觉处理。

“为了降低能耗,一些苍蝇的复眼上只有一个小的高分辨率区域。它们会转过头,以更清晰地转向它们想看的地方,比如追逐猎物或配偶。这比在整个视野中拥有高分辨率节省了能量。”论文共同作者、华盛顿大学机械工程助理教授 Sawyer Fuller 说。

研究团队通过模仿苍蝇的视觉系统,研发了一台微型、超低功耗的黑白相机,它可以借助机械臂扫描整个视野。当团队施加高电压时,手臂会移动,使材料弯曲,并将摄像机移动到所需的位置。

除非团队使用更大的力量,否则手臂会保持这个角度一分钟,然后放松回到原来的位置。这就像人们只能在很短的一段时间内把头往一个方向转,然后就会回到一个更中性的位置。

而且,这款摄像头和手臂,可以通过蓝牙由智能手机在 120 米外控制。

“通过移动相机的一个好处是,你可以在不消耗大量电能的情况下获得广角的视角。我们可以跟踪一个移动的物体,而不需要花费能量来移动整个机器人。与使用广角镜头相比,这些图像的分辨率更高,而且可以在更大的区域内分割出同样数量的像素。”论文共同第一作者、华盛顿大学电子与计算机工程专业博士生 Vikram Iyer 说。

然后,研究人员将他们的迷你 GoPro 系统安装在两种不同类型的甲虫背上——装死甲虫(death-feigning beetle)和松形甲虫(Pinacate beetle)。

“我们确保甲虫在携带我们的系统时仍能正常移动。他们能够自由地穿过碎石,爬上斜坡,甚至爬树。”论文共同第一作者、华盛顿大学电子与计算机工程专业博士生 Ali Najafi 说。

为了证明这套相机系统“人畜无害”,研究人员在实验结束后,观察到这些甲虫还至少存活了一年时间。

世界上最小的无线可视机器人

此外,研究人员还在该套相机系统中增加了一个小型加速度计,以便能够探测到甲虫的移动,这样就能让相机只在甲虫运动的这段时间里开机工作。

“如果相机在没有加速计的情况下持续拍摄,我们只能在电池耗尽前记录一到两个小时时长。有了加速计,我们可以记录6个小时或更长时间,这取决于甲虫的活动水平。”Iyer 说。

研究人员还利用他们的摄像系统,设计了世界上最小的具有无线视觉的电力自主机器人。这个昆虫大小的机器人利用振动来移动,消耗的能量几乎与低功耗蓝牙无线电所需的能量相当。

不过,研究小组发现,昆虫机器人运动时会使照相机抖动,从而产生扭曲的图像。研究人员为了解决这个问题,设计让机器人暂时停下来,拍张照片,然后继续它的旅程。

通过这种策略,该整套系统仍能以每秒 2 到 3 厘米的速度移动,这比任何其他利用振动移动的微型机器人都要快,而且电池的寿命约为 90 分钟。

稍作伪装,就是绝佳的“偷拍”神器啊(上图是真昆虫,下图是昆虫大小的机器人)

研究人员表示,该系统的应用可以从生物学到探索新环境,“像甲虫这样的活虫可以携带相机走动数小时甚至爬树,由于远远超出了小型机器人的能力,因此开辟了使用带有传感器的昆虫来监视农业、虫害控制以及探索管道或其他密闭空间之类的可能性。”

未来版本的相机也将需要更少的电力,并且不需要电池,比如可以是太阳能的。

“这是我们第一次以第一视角从甲虫的背部观察到它四处行走的样子。还有很多问题需要去探索,比如甲虫会对环境中的不同刺激做出怎样的反应,而且,昆虫可以在岩石环境中穿行,因此,这个系统也可以帮助我们从难以导航的空间中看到或收集样本。”Iyer  说。

事实上,这并不是华盛顿大学的研究人员第一次与昆虫“合作”。2018年12月,他们宣布开发出了第一个飞行无线平台,包括传感器,无线通信和位置跟踪器,其电源既强大又轻便,可以连接到大黄蜂上。

之后,华盛顿大学的工程师们又推出了 RoboFly,它是一种比牙签略重的机器人昆虫,由机器人上方附着的光伏电池供电。但是,凭借其微小的电池,它最多只能完成起飞和降落。

尽管该团队对轻量、低功耗移动相机的潜力感到兴奋,但研究人员承认,这项技术也带来了一系列新的隐私风险。

“作为研究人员,我们坚信把东西放到公共领域是非常重要的,这样人们才会意识到风险,才会开始想出解决办法来解决问题。”Gollakota 说。

不过,在担心隐私问题之前,学术君更好奇的一个问题是,如果甲虫不小心跑掉了,那 GoPro 还要得回来吗?

研究团队也公开了该项目的代码,供任何人使用:
https://github.com/uw-x/insect-robot-cam

资料来源:
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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