受鸟类与蚂蚁启发，机器人获新型“大脑”系统实现无GPS导航

一种受动物启发的新型系统使机器人能在恶劣环境中实现无GPS导航。

据报道，研究人员基于某些动物感知周围世界的方式，构建了一套新的导航系统。这项研究主要借鉴了蚂蚁、鸟类和小鼠等动物的导航机制，有望帮助机器人在传统全球定位系统（GPS）难以发挥作用的区域进行导航。

目前，在能见度较差时，非GPS导航系统（如摄像头和传感器）往往容易失效。它们也易在野外作业中被污损或损坏。

由于蚂蚁等动物在进化中形成了在混乱环境中导航的精密方法，它们被视为开发潜在替代导航方案的完美借鉴对象。

该理念的核心是为机器人提供导航系统的冗余性。具体而言，机器人可受益于使用三个功能重叠的系统。如果一个系统失效，其他系统会自动补位。

在生物学中，这被称为"功能冗余" —— 即多个系统执行相似功能以确保生存。首个受动物启发的导航系统源自蚂蚁。

蚂蚁启发的机器人导航

蚂蚁能通过内部机制记录步数和方向，从而知晓自身相对于蚁巢的位置。为此，研究人员构建了类似的脉冲神经网络（模拟大脑的低能耗硬件）。

这就像一个超级鲁棒的内部计步器，即使在传感器受到干扰时也能持续追踪。第二个系统灵感来自鸟类世界。

候鸟会同时利用多种线索来辨识方向，包括探测地球磁场。它们还能利用偏振光、太阳位置并巧妙运用地标来进行探测和导航。

研究团队认为，机器人可通过使用量子磁力计（用于探测磁场方向）来模拟这些能力。其他来自偏振罗盘（用于观测天空偏振）的输入信号，以及摄像头采集的信息，可经由贝叶斯滤波器进行动态融合。

如果某个传感器"失灵"（例如摄像头故障），其他传感器会立即接管工作。第三个，也是最后一个受自然启发的导航系统，灵感源自啮齿动物。

大鼠能在大脑海马体中构建认知地图，并且仅在重要变化发生时才对地图进行更新。新的机器人导航系统可通过仅在发现重要地标时构建地图，来执行类似任务。

仍需更多研究

这有助于节省能量、减少处理负荷，并在杂乱环境中保持导航稳定性。与SLAM（需持续更新地图，耗能巨大）技术相比，这种方法的能效显著提高。

尽管目前仍处于理论阶段，但未来这套系统可用于各种重要场景。例如在倒塌建筑中进行搜救、作为行星探测器、深海机器人，以及在黑暗、多尘、混乱的工业场所进行巡检。

由此，这是向实现能像动物一样鲁棒、自主导航，无需人类持续监控的机器人迈出的一步。展望未来，该团队计划开发芯片上的持续学习功能（以模拟大脑运作）。

"目前我们系统的神经权重大多为预设配置，但生物系统会通过突触可塑性持续学习和适应，"论文第一作者谢克德·钱丹告诉媒体。"我们计划探索忆阻突触等新兴技术，将这种能力直接集成到硬件中，"他补充道。

他们还希望利用更智能的内存结构开发能扩展至公里级的地图，并可能采纳更多受动物启发的导航解决方案。

您可以在《细胞》期刊上查看这项研究。

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