2020 年以來，從非洲到南亞，沙漠蝗蟲災(zāi)害侵襲全球多地。2020 年 7 月，南亞國家印度再遭蝗災(zāi)襲擊，并且部分城市進(jìn)入警戒狀態(tài)。
現(xiàn)在，一個(gè)由賓夕法尼亞州立大學(xué)工程師組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)以漫天蝗群中單個(gè)蝗蟲不會(huì)互相碰撞為契機(jī)，正在研制一種低功率的碰撞探測(cè)器，它可以模仿蝗蟲躲避碰撞的反應(yīng)，幫助機(jī)器人、無人機(jī)甚至無人駕駛汽車避免碰撞。
目前自動(dòng)駕駛技術(shù)面臨的最大問題，就是如何保證車輛在上路時(shí)的安全性。如何避免車輛在行駛路上發(fā)生碰撞，已經(jīng)是汽車制造工業(yè)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。而從生物學(xué)角度來說，昆蟲為自動(dòng)駕駛技術(shù)中的碰撞檢測(cè)和人工視覺系統(tǒng)提供了豐富的靈感來源。
賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)和力學(xué)助理教授 Saptarshi Das 說：“我們一直在尋找具有不同尋常能力的動(dòng)物，那些比人類做得更好的動(dòng)物。其中，昆蟲的視覺是人們經(jīng)常用來設(shè)計(jì)自動(dòng)系統(tǒng)的東西，因?yàn)樗鼈儠?huì)飛，且不會(huì)相互碰撞。后來我們發(fā)現(xiàn)了蝗蟲是獨(dú)一無二的研究對(duì)象?！?/p>
研究人員開發(fā)的這個(gè)防碰撞的探測(cè)器是一種緊湊的納米級(jí)碰撞檢測(cè)器，并且使用單層硫化鉬作為光電檢測(cè)器。他們把光電探測(cè)器放在一個(gè)可編程的浮動(dòng)門存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的頂部，這種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)僅用少量的能量就可以模擬蝗蟲的神經(jīng)元反應(yīng)。
這項(xiàng)研究于 8 月 24 日發(fā)表在 Nature Electronics 期刊，研究人員并表示，這是“向智能、低成本、特定任務(wù)、節(jié)能和小型化防撞系統(tǒng)的發(fā)展邁出的一大飛躍。”
蝗災(zāi)帶來的研究靈感與契機(jī)
蝗災(zāi)，主要是指蝗蟲引起的災(zāi)變，數(shù)以百萬計(jì)的昆蟲，飛越天空攻擊莊稼，但是在這些大群蝗蟲中，即使數(shù)量眾多，也不會(huì)出現(xiàn)單個(gè)昆蟲互相碰撞的情況。
不過一旦發(fā)生蝗災(zāi)，大量的蝗蟲會(huì)吞食禾田，使農(nóng)產(chǎn)品完全遭到破壞，引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以致因糧食短缺而發(fā)生饑荒。
而全球變暖，尤其冬季溫度的上升，有利于蝗蟲越冬卵的增加，為第二年蝗災(zāi)的爆發(fā)提供“蟲卵”；此外氣候變暖、干旱加劇，草場(chǎng)退化等多種因素的疊加，為蝗蟲產(chǎn)卵提供了合適的產(chǎn)地，而且蝗蟲適應(yīng)干旱的能力極強(qiáng)，這是因?yàn)橐曰认x為食物的其他昆蟲和鳥類在此情況下都不能生存，而且一種能造成蝗蟲疾病的絲狀菌被抑制活性，故而使其在干旱地區(qū)數(shù)量大大增加。
因此專家預(yù)測(cè)，隨著全球變暖的趨勢(shì)，未來蝗災(zāi)發(fā)生的規(guī)模會(huì)越來越大，對(duì)中國和世界的糧食生產(chǎn)將造成嚴(yán)重的影響。
當(dāng)然，我們今天文章的重點(diǎn)，不在蝗災(zāi)，而在單個(gè)蝗蟲。
蝗蟲之所以不同尋常，是因?yàn)樗鼈兪褂靡环N叫做 Lobula Giant Movement Detector （LGMD）的單一特殊神經(jīng)元來避免碰撞。Das 說：“我們開始研究它是如何工作，蝗蟲還真是令人難以置信?！?/p>
根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)和力學(xué)專業(yè)的研究生 Darsith Jayachandran 的說法，神經(jīng)元會(huì)接收到兩種不同的信號(hào)，其中一個(gè)輸入是一只逼近的蝗蟲影像落在作為躲避方的蝗蟲眼睛上，入侵的蝗蟲越接近，圖像越大，激發(fā)信號(hào)越強(qiáng)；而另一個(gè)輸入是入侵蝗蟲相對(duì)于躲避蝗蟲的角速度變化。
Jayachandran 說：“因?yàn)樯窠?jīng)元有兩個(gè)分支，蝗蟲計(jì)算出這兩個(gè)輸入信號(hào)的變化，然后意識(shí)到有東西會(huì)發(fā)生碰撞。所以躲避方的蝗蟲改變了方向?！?/p> 12下一頁>
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