蝗虫群可以提高避碰能力

大学公园,爸爸。蝗虫的灾殃，包括数以百万计的昆虫，飞越天空攻击庄稼，但在这些大群蝗虫中，单个的昆虫不会互相碰撞。现在，一个工程师团队正在研制一种低功率的碰撞探测器，它可以模仿躲避蝗虫的反应，帮助机器人、无人机甚至自动驾驶汽车避免碰撞。

工程科学和力学助理教授Saptarshi Das说:“我们一直在寻找具有不同寻常能力的动物，那些比人类做得更好的动物。”“昆虫的视觉是人们经常用来设计自动系统的东西，因为它们会飞，不会碰撞，但后来我们发现蝗虫是独一无二的。”

蝗虫之所以不同寻常，是因为它们使用一种叫做Lobula Giant Movement Detector (LGMD)的单一特殊神经元来避免碰撞。

达斯说:“所以我们开始研究它是如何工作的，蝗虫真是令人难以置信。”“这些生物能做的事情是非常令人羞愧的。”

根据工程科学和力学专业的研究生Darsith Jayachandran的说法，神经元接收到两种不同的信号。一只逼近的蝗虫的影像落在躲避的蝗虫的眼睛上。入侵的蝗虫越接近，图像越大，激发信号越强。另一个输入是入侵蝗虫相对于躲避蝗虫的角速度变化。

Jayachandran说:“因为神经元有两个分支，蝗虫计算出这两个输入信号的变化，然后意识到有东西会发生碰撞。”“所以躲避蝗虫的动物改变了方向。”

研究人员开发了一种紧凑的纳米级碰撞检测器，使用单层硫化钼作为光电检测器。他们把光电探测器放在一个可编程的浮动门存储器结构的顶部，这种存储器结构仅用少量的能量就可以模拟蝗虫的神经元反应。

他们在今天(8月24日)发行的《自然电子》(Nature Electronics)上报告说，这是“向智能、低成本、特定任务、节能和小型化防撞系统的发展迈出的一大步。”

根据研究人员的说法，蝗虫以每小时2到3英里的速度移动，并在数百毫秒内改变方向。决定移动使用非线性数学和极小的能量消耗。

这种快速反应和适度的能源使用是吸引机械碰撞探测器。目前用于自动驾驶汽车的探测器非常大，也非常重。研究人员的碰撞探测器在两秒钟内做出反应。此外，根据研究人员的说法，这种基于硫化钼的传感器并不是万能的探测器，而是针对特定任务的，但因为它太小，能耗也很小，所以是可以接受的。

光电探测器引起设备电流的增加以响应迎面来的物体，即兴奋信号，而底层可编程存储器堆栈总是引起电流的减少，即抑制信号。当一个物体靠近时，兴奋性信号被添加到抑制性刺激中，引起设备电流的非单调变化，模拟蝗虫LGMD神经元的逃逸反应。

Das说:“蝗虫只能避免与其他蝗虫的碰撞，而我们的设备可以探测各种不同速度的物体的潜在碰撞。”

目前，研究人员只对直接碰撞路径上的物体进行了测试。他们仍然需要优化对其他情况的响应。

工程科学与力学专业的研究生Aaryan Oberoi说:“我们不能对每种情况进行所有的测量。”“所以我们开发了一个数值模型。我们还可以测试在同一芯片上的多个设备是否能更好地工作。到目前为止，看起来单个设备就足够了。然而，多像素碰撞检测器阵列可以在3D空间提供碰撞避免。”

宾夕法尼亚州立大学的amritanandsebastian也参与了这个项目，他们是工程科学和力学专业的研究生;Tanushree H. Choudhury, 2D晶体联盟-材料创新平台助理研究教授;以及材料科学与工程、化学工程和电气工程教授、材料研究所副所长Joan M. Redwing。

Amrita Vishwa Vidyapeetham Amritapuri校区工程学院副院长、教授、系主任、机械工程系系主任Balakrishnan Shankar也参与了这项工作。

美国空军科学研究办公室、美国陆军研究办公室和国家科学基金会支持这项工作。研究人员已经申请了这项技术的美国临时专利。