美研究员利用蝗虫回避能力研发碰撞检测器可预防汽车碰撞

【汽车材料网】蝗灾时会有数百万种昆虫，它们飞过天空攻击农作物，但在这些庞大的昆虫群中，单个昆虫不会相互碰撞。如今，宾夕法尼亚州立大学的一个工程师团队正在研发一种低功率碰撞检测器，该检测器通过模拟蝗虫回避反应，可以帮助机器人、无人机甚至自动驾驶汽车避免碰撞。

本文插图
Credit: Jennifer M. McCann / Penn State
collision detector for vehicles mimics an avoidance neuron in locusts that allows them to fly in swarms.
从动物活动中获得启发
工程科学和力学助理教授Saptarshi Das说：“我们一直在寻找与众不同的动物，这些动物在某些方面具有的能力比人类更优秀。人们经常使用昆虫视线来设计自动化系统，因为它们会飞行并且不会碰撞，但后来我们发现蝗虫是独一无二的。 ”
蝗虫之所以与众不同，是因为它们使用一个特殊神经元来避免碰撞，这被称为Lobula巨人运动探测器（LGMD）。 Das说：“蝗虫的这种能力令人难以惊讶，因而我们开始研究它的工作原理。这些生物所能做的是非常微小的。 ”
根据工程科学与力学研究生Darsith Jayachandran的观点，蝗虫的神经元接收两种不同的信号。一种信号是：入侵蝗虫的图像。图像投射在躲避蝗虫的眼睛上，蝗虫距离越近，图像越大，激发信号越强。另一种信号是：入侵蝗虫相对于躲避蝗虫的角速度变化。
Jayachandran说：“由于神经元有两个分支，所以蝗虫可以计算这两种信号的变化并很快意识到将会发生碰撞。从而躲避蝗虫改变方向。 ”
纳米级碰撞检测器
宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种紧凑的纳米级碰撞检测器，该检测器使用单层硫化钼作为光电检测器。他们将光电探测器放置在可编程浮栅存储器架构的顶部，该架构仅需极少量的能量即可模拟蝗虫的神经元反应。
这一发现发表在《自然电子》杂志中“这是向智能、低成本、节能和小型化的防撞系统发展的飞跃。 ”据研究人员称，蝗虫每小时移动两到三英里，并在数百毫秒内改变方向。做出移动的决定采用了非线性数学和微小的能量消耗。
光电检测器响应即将到来的物体（刺激信号）而导致设备电流增加，而底层的可编程存储堆栈始终导致电流（抑制信号）减小。当物体接近时，兴奋信号被添加到抑制性刺激中，导致设备电流发生非单调变化，从而模拟了蝗虫中LGMD神经元的逃逸反应。
Das说：“虽然蝗虫只能避免与其他蝗虫发生碰撞，但我们的设备可以检测各种不同速度的物体发生的潜在碰撞。 ”
应用与现状
目前，用于自动驾驶汽车的电流检测器非常大且重，而新研发的检测装置具有快速的反应能力和适度的能量消耗，对于机械化碰撞检测仪器的升级具有很大吸引力。研究人员研发的碰撞检测器可以在两秒钟内做出响应。而且，基于硫化钼的传感器并非是千篇一律的检测器，它是基于特定任务的。同时，它的体积十分小，所使用的能量也很少，制造商可以接受。
如今，研究人员仅在直接碰撞路径上的物体上测试了该设备。他们仍然需要针对其他情况进行优化。
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