没有GPS的仿蚂蚁机器人靠“光学罗盘”自行导航

没有GPS的仿蚂蚁机器人靠“光学罗盘”自行导航

Credit: Julien Dupeyroux, ISM (CNRS/AMU)

沙漠蚂蚁是非凡的孤独领航员。CNRS和艾克斯-马赛大学运动科学研究所( ISM )的研究人员在设计蚂蚁机器人时受到了蚂蚁的启发，蚂蚁机器人是第一个可以随意探索环境、无需GPS或地图自动导航回家的步行机器人。这项发表在《科学机器人学》上的工作为自主车辆和机器人导航开辟了新的策略。

研究人员指出，沙漠蚂蚁非凡的导航天赋依赖两条信息：使用一种“天体指南针”借助太阳的偏振光来测量航向，从而给自身定位；通过简单计算行走的步数并结合它们相对于太阳的运动率测量行走的距离。一旦距离和航向这两个基本信息相组合，它们就可以顺利班师回巢。

人类的眼睛对偏振光和紫外线不敏感，但蚂蚁却不是这样，蚂蚁的复眼包含独特的光感受器，可以捕获来自太阳的紫外线，这些紫外线会被散射的空气分子极化。然而，这种紫外线模式随着太阳在天空中移动而改变。通过跟踪这些移动模式，蚂蚁基本上有一个内部的天体指南针，可以让他们确定他们面对的方向。它们用偏振光在太空中定位。特别是沙漠中的Cataglyphis蚂蚁可以在阳光直射下在沙漠中行走数百米寻找食物，然后直线返回巢穴而不会迷路。它们在白天最活跃的时候，热量会使信息素的踪迹蒸发。他们非凡的导航天赋依赖于使用天空的偏振光来定位自己，通过计算步数来测量所覆盖的距离，并结合他们眼睛所测得的相对于太阳的移动速度。距离和航向是两个组合的信息，它们可以直接返回到巢中。

由法国国家研究中心(CNRS)和法国马赛大学(Aix-Marseille University，简称AMU) ISM研究人员共同设计的新机器人AntBot模仿了沙漠蚂蚁非凡的导航能力。它配有一个光学罗盘，通过偏振光来确定其航向，以及一个指向太阳的光学运动传感器来测量所覆盖的距离。有了这些信息，AntBot可以探索它的环境，在完成了14米的总距离后，以高达1厘米的精度回到它自己的基地。这个机器人只有2.3公斤重，有6英尺的移动空间，可以在复杂的环境中移动。在这些环境中，部署轮式机器人和无人机可能非常复杂，包括灾区和崎岖的地形。

科学家开发的光学罗盘对天空的偏振紫外线辐射很敏感。在晴朗或多云的天气中，AntBot使用这个“天文罗盘”，以0.4度的精度测量它的航向。用这些最小的传感器实现的导航精度证明了生物启发机器人具有巨大的创新能力。

实际应用前景

　　可在崎岖地形作业，对无人驾驶技术提供补充

　　拥有六只脚的“机器蚂蚁”运动灵活性高，可在轮式机器人和无人机无法工作的复杂环境中作业，如灾区、崎岖的地形、外星土壤等。

　　研究人员说，在城市环境中，利用GPS定位的自动驾驶技术可能因磁场干扰而产生误差，“机器蚂蚁”运用的定位技术是GPS的有力补充。“我们正同一家汽车制造商合作，将我们的‘天文罗盘’装到无人驾驶车辆上。”维奥莱说，未来还需探索如何在夜间及更长距离下使用这种技术。