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GoPro-为昆虫和微型机器人开发的机器人相机背包

在电影《蚁人》中,标题人物可以缩小大小,并通过飞行在一只昆虫的背部。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。这允许观看者捕获高分辨率,全景拍摄或跟踪移动的对象,而消耗最小的能量。为了演示这个重约250毫克的系统的多功能性;大约一张扑克牌十分之一的重量该团队将其安装在活体甲虫和昆虫大小的机器人上。

研究结果将于今天(2020年7月15日)发表在《科学机器人》杂志上。

华盛顿大学的研究人员开发了一种微型摄像头,可以搭载在昆虫或昆虫大小的机器人上。

我们创造了一种低功耗、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捕捉到发生的事情,也可以为小型机器人创造视觉。高级作者Shyam Gollakota说,华盛顿大学保罗·g·艾伦计算机科学学院副教授;工程。视觉对于通信和导航是非常重要的,但在如此小的范围内做到这一点是极具挑战性的。因此,在我们的研究之前,无线视觉还不可能应用于小型机器人或昆虫。

典型的小型相机,比如智能手机上使用的那种,要拍摄广角、高分辨率的照片需要消耗大量能量,而这在昆虫的环境下就无法工作了。虽然照相机本身很轻,但是它们需要的电池使得整个系统对于昆虫来说又大又重。或昆虫大小的机器人;凸耳。因此,这个团队从生物学中吸取了教训。

和摄像机一样,动物的视觉也需要很大的力量。合著者索耶·富勒说,他是华盛顿大学机械工程助理教授。对于像人类这样的大型生物来说,这算不上什么大事,但是苍蝇会用10%到20%的休息能量来驱动它们的大脑,其中大部分用于视觉处理。为了降低成本,一些苍蝇的复眼上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电量。

为了模拟动物的视觉,研究人员使用了一台微型超低功耗黑白相机,该相机可以在机械臂的帮助下扫描整个视野。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。

能够移动相机的一个优点是你可以获得发生的事情的广角视图,而不需要消耗大量的电能。联合主要作者维克拉姆·艾耶说,他是华盛顿大学电子和计算机工程专业的博士生。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。这些图像的分辨率也比我们使用广角镜头时要高,广角镜头可以在更大的区域内分割出同样数量的像素来生成图像。

摄像头和手臂通过蓝牙由智能手机在120米外控制,这个距离比一个足球场稍微长一点。

研究人员将他们的可移动系统安装在两种不同类型的甲虫背上。一只装死甲虫和一只松甲甲虫。研究人员说,类似的甲虫可以携带超过半克的重物。

我们确保甲虫在携带我们的系统时仍能正常移动,联合第一作者Ali Najafi说,他是华盛顿大学电子和计算机工程专业的博士生。他们能够自由地穿越砾石,爬上斜坡,甚至爬树。

实验结束后,这些甲虫还存活了至少一年。

我们在系统中增加了一个小型加速度计,以便能检测到甲虫的移动。然后它只捕捉这段时间的图像,艾耶说。如果相机在没有加速计的情况下持续流媒体,我们可以在电池没电前记录一到两个小时。有了加速计,我们可以记录6个小时或更长时间,这取决于甜菜的活动水平。

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。

然而,研究小组发现,振动会使照相机抖动,并产生扭曲的图像。研究人员解决了这个问题,让机器人暂时停下来,拍张照片,然后继续它的旅程。在这种策略下,系统仍能以每秒2到3厘米的速度移动。比任何利用振动移动的微型机器人都要快。电池续航时间为90分钟。

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,我们坚定地相信,把东西放在公共领域是非常重要的,这样人们才会意识到风险,才会开始想出解决方案来解决它们,Gollakota说。

研究人员说,应用可以从生物学到探索新环境。该团队希望未来版本的相机将需要更少的电力,并且不需要电池,可能是太阳能的。

这是我们第一次以第一人称从甲虫的背部观察它四处走动的样子。还有很多问题需要你去探索,比如甲虫是如何对环境中的不同刺激做出反应的?艾耶说。而且,昆虫可以在岩石环境中穿行,这对机器人来说是一个很大的挑战。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。

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参考例句:为活昆虫和昆虫规模的机器人设计的无线导航视觉作者:Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller and Shyamnath Gollakota, Science Robotics, 2020年7月15日。

约翰内斯·詹姆斯,华盛顿大学机械工程博士生,也是这篇论文的合著者。这项研究得到了微软奖学金和美国国家科学基金会的资助。

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