飞行视觉的秘诀在于快速飞行控制和惊人的快速反应速度

时间：2021-10-15 08:52:18 来源：

机械工程研究人员获得了可以增强机器人技术的生物学见识。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过研究果蝇如何利用眼球运动以惊人的快速反应速度来增强飞行控制能力（比眨眼的速度快30倍），从而研究出了一种模仿机器人技术的框架。

研究人员在今天（2020年9月1日）在美国国家科学院院刊上发表的一篇论文中，描述了用LED灯构造并使用高速相机记录的虚拟现实飞行模拟器中系住的果蝇的运动。

“如果能够研究飞行中最擅长的苍蝇，那么您会发现生物学中已经存在的一些令人难以置信的工程解决方案，”研究机械工程的博士生，论文的第一作者本杰明·塞利尼（Benjamin Cellini）说。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过虚拟现实探索了果蝇的快速运动。

Cellini和他的顾问，机械工程学助理教授，生物运动系统实验室主任Jean-Michel Mongeau能够确定果蝇如何利用眼球运动来快速协调翅膀以响应所看到的事物。由于苍蝇的眼睛固定在头部，研究人员跟踪了头部的运动，以推断苍蝇在看什么。

稳定的注视是大多数生物都能做到的普通现象。例如，我们无缝移动眼睛，头部和/或身体以扫描房间。

“但这是一个具有挑战性的复杂问题，需要理解，我们和其他动物如何才能做到这一点呢？”蒙戈说。“我的实验室对主动感应非常感兴趣，主动感应是工程和生物学的一个分支，致力于研究传感器的运动（例如眼睛扫视房间）如何增强自身的感应能力。”

用棍子拴住的果蝇。

尽管该领域以前的许多研究都集中在机翼的运动上，但了解像苍蝇一样的动物如何利用主动的眼球运动来控制飞行可以极大地增强机器人技术。当前，大多数机器人都具有固定的传感器，从而使传感和运动保持解耦。但是，通过在能够在人体上移动的视觉传感器的配合下更好地模拟眼睛和大脑，可以极大地改善机器人的飞行控制。

为了支持这一理论，研究人员确定果蝇的眼睛反应速度比动物的身体或翅膀快四倍。这些反应也紧密地联系在一起，表明苍蝇在很大程度上依靠眼球运动来协调它们的机翼运动。

Cellini说：“我们已经证明，通过减少运动模糊，他们的眼睛可以比我们原先想象的更好地控制和稳定视力。”“像体育运动一样，他们教会棒球运动员用眼睛跟随球，以减少模糊并提高击球性能。”

此外，他们发现，当苍蝇将胶水小心地涂在头上然后记录在虚拟现实飞行模拟器中时，其头部运动的限制会对飞行性能产生巨大影响。

Mongeau说：“我们在这里发现的一个重要原理是，蝇眼减慢了进入大脑的视觉运动，并且这种过程增强了它们的飞行行为。”

在这项工作中证明的是，研究人员认为，揭开生物世界的秘密可能会对技术产生广泛的影响。

Cellini说：“在工程学中，我们被教导要运用数学和物理学的原理来解决问题。”“如果您想建造一个可以在火星上飞行的机器人，则可以使用工程概念来提供潜在的解决方案。但是，我们不必总是从头开始构想。我们也可以从大自然中寻求灵感。”

参考：本杰明·切利尼（Benjamin Cellini）和让·米歇尔·蒙戈（Jean-Michel Mongeau）于2020年9月1日在美国国家科学院院刊上发表的论文《主动视觉塑造并协调果蝇中飞行运动的反应》
10.1073 / pnas.1920846117

空军科学研究所的一笔拨款支持了这项研究。

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