不需GPS導航的昆蟲型機器人

不需GPS導航的昆蟲型機器人

編譯/陳宣豪

沙漠中的螞蟻

螞蟻的導航能力,在自然界中別具一格。一般常見的螞蟻,是憑藉尋覓食物的過程中所殘留的費洛蒙(pheromone),來定位巢穴位置。不過,生活於沙漠地帶的Cataglyphis fortis,因為費洛蒙不耐沙漠高溫,演化出不同於其他螞蟻的定位導航系統。

依據法國國家研究中心(Centre national de la Recherche scientifique,CNRS)和馬賽大學(Aix-Marseille University)研究團隊的觀察:C. fortis可以透過「視覺導引」(visual guidance,簡稱VG)及「路徑整合」(path integration,簡稱PI)兩種不同方式,來確認巢穴的位置。其中,視覺導引(VG),是指沙漠螞蟻可以透過記憶特殊地標的相對位置來導航。不過,沙漠中不時出現的風沙,容易將走過的痕跡或不穩固的地標給抹去,很難有顯著的地標可以長時間存在。

路徑整合(PI),則是C. fortis可以透過複眼中獨特的光感受器,捕捉人類無法看到的太陽偏振光來定位、計算本身行進的速度和步數,讓沙漠螞蟻清楚知道自己走了多遠?還需要多久才能回到巢穴?更重要的是:C. fortis的大腦僅有數千個神經元,便可完成一應偵測與運算。

仿生機器蟻

圖一、AntBot在外觀上,有著與昆蟲相似的六條腿。(圖片來源:Julien Dupeyroux, ISM, CNRS/AMU)

研究團隊於是效仿C. fortis,以相對簡單的設備取代GPS,設計出全機重量僅2,300公克的AntBot。其中的靈魂所在─天體指南針,傳感器構造簡單,僅有兩顆光電二極管,卻能將太陽的偏振紫外光轉換成電信號,幫助機器人通過偏振光來確定自己的航向。同時,光電二極館對環境中的偏振紫外線極為靈敏,即使天候不佳時,天體指南針亦可正常運作。

GPS之外的定位導航系統

AntBot目前因搭載的小馬達容易過熱,並且電力有限,僅能進行短程航行。然而,天體指南針的設計及生產成本僅約500美元左右,相較於其他常見的GPS替代方案─無論是機器視覺(machine vision)或光學雷達(lidar)─都相對低廉。未來更有機會進一步與其他感知設備整合,不但可以突破GPS的使用侷限,更可以在遍布金屬或各種擾亂磁場的都市環境中運行,替代人類探索未知領域,或執行搜救任務。

 

編譯來源

CNRS News, “The first walking robot that moves without GPS”, CNRS, 2019.

參考資料

  1. J. Dupeyroux, J. Serres and S. Viollet, “AntBot: A six-legged walking robot able to home like desert ants in outdoor environments“, Science Robotics, vol. 4, no. 27, p. eaau0307, 2019.
  2. M. Simon, “A 6-legged robot stares at the sky to navigate like a desert ant”, WIRED, 2019.

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」執行團隊編譯)

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