蝗蟲引發(fā)的汽車防撞技術改良

徐　媛

只要一提到蝗蟲，我們的第一印象一定是它們遮天蔽目的嗡嗡而來，掃光路上的每一寸綠色的“破壞神”模樣。但是，你能相信嗎?蝗蟲的某些反應，完全可以幫助我們從車毀人亡的撞車事故里安全逃生。一場汽車安全技術革命竟源于小小的蝗蟲?英國科學家最近就因發(fā)現(xiàn)了蝗蟲運動生理系統(tǒng)的一些防撞訣竅，從而在汽車設計中，成功應用了從前看來完全不可能實現(xiàn)的“智能避讓”。

在地球上會飛的生物群中，蝗蟲群絕對是飛行密度最大的一個，一個蝗蟲群可能由數(shù)十億只蝗蟲構成，它們按照編隊飛行，根據(jù)鄰近同伴的行動選擇自己的運動方向，當許多蝗蟲聚集在一起時，它們就會改變編隊的形狀和位置。但它們的間距密度如此之大，移動速度如此驚人，幾乎到了摩肩接踵的地步，卻無論如何也不會相撞。

和人類不同，蝗蟲的視覺暫留時間要比人短得多，視覺暫留是動畫、電影形成和傳播的根據(jù)，這意味著它能更快地做出反應，躲避碰撞?；认x的反應如此之快，仿佛所看到的信息似乎是繞過大腦被立即傳遞到它翅膀的神經細胞上?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，它們之所以能做出如此迅速的反應，全在于眼睛后面的一個大型神經元傳感器。

當物體在眼睛17度的方向出現(xiàn)時，這個傳感器會用25毫秒的時間產生一個強度極大的電流峰值發(fā)出警告，指示蝗蟲作出躲避的反應。通過模型和電生理學的技術，科學家們漸漸發(fā)現(xiàn)，這個峰值的產生過程并不是蝗蟲的自然反應，相反，卻是因為受到以前的類似經歷刺激產生。在非洲，喜歡吃蜜蜂的洋紅蜂虎是蝗蟲的天敵，它們的胸徑只有40到46毫米，而蝗蟲在飛行時翼尖的間距不到100毫米，很容易從蝗蟲中間通過。所以，為了避開這些貪吃的天敵，蝗蟲只要稍微發(fā)覺有物體接近時，它的運動神經傳感器就會不斷增強反應，使得蝗蟲可以在被撞擊之前做出逃離反應。從覺察到運動物體到做出反應，整個過程不超過45毫秒。正是因為如此，即使每平方公里有8000萬只蝗蟲，它們也不會撞得焦頭爛額。

駕駛員只要在有碰撞危險的0.5秒前得到預警，就可以避免至少60％的追尾撞車事故，30％的迎面撞車事故和50％的路面相關事故；若有1秒鐘的“預警”時間，則可避免90％的事故，但是，如何讓汽車在這么短的時間內完成計算和做出快速的規(guī)避反應，卻是讓科學家們一直頭疼的問題。雖然目前一些豪華轎車上也有利用雷達、激光或者聲納技術制成的防撞系統(tǒng)，它們可以利用探測兩車的速度和距離，感知汽車的行駛狀態(tài)，從而強制性改變制動系統(tǒng)的狀態(tài)，達到防撞的目的。但是，由于進行這樣的運算需要經過復雜的計算機程式運算，再加上實際環(huán)境的限制，這些高級防撞系統(tǒng)的使用效果常常不盡如人意，有的把超車當做了撞車，有的一受到虛假信號干擾就玩罷工，不僅虛警和漏警的現(xiàn)象頻發(fā)，昂貴的價格也常常讓人望而卻步。

這時候，蝗蟲能給我們很多啟發(fā)。許多視覺系統(tǒng)的基本任務就是區(qū)別視覺運動，而蝗蟲辨別物體接近或者后退的方式，是通過觀察物體的圖像是否還在其每只復眼的視覺范圍中運動?；认x的神經傳感器是一個能夠瞬間進發(fā)能量的視覺中間神經元，當物體靠近時快要撞上來時，神經元電流的頻率會不斷頻繁地增大，神經元機制的計算并不復雜，它們不會對障礙物體進行身份鑒別，也不會進行速度估算，或者做路徑規(guī)劃上的遐想。最近的研究顯示，如果將它做成模塊放入汽車電腦當中，它就能成功地探測碰撞。但是，神經元的構成極其復雜，這個反射行為既會發(fā)出碰掩警告，也有可能產生非碰撞警告的信號。隨后的試驗證明了這個問題的存在：突觸前神經元在展示它篩選圖像的非凡能力時太過興奮，直到碰撞時才將信號興奮傳給神經元，經過考慮，科學家們將神經元信息與四個定向敏感的神經元進行合成。通過模擬蝗蟲的眼睛和神經元，林德與蘇黎世理工學院的神經元研究所合作，將電路裝載到一個三輪的小機器人身上，接著，為了模仿蝗蟲復眼的“邊緣監(jiān)測”原理，科學家們在機器人身上裝上了一個分辨率僅為20像素的攝像頭，與蝗蟲復眼的視力類似，攝像機得到的信號被電路進行分析，在實驗中，科學家們用一個由樂高磚制成的玩具塔去沖撞機器人，攝像頭捕捉到的信號先被送往一個神經網絡數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行預處理，然后送往運動傳感器。測試的結果非常理想：即使在很短的時間內，機器人也能成功的躲過91％的沖撞。一些碰撞和非碰撞場面的視頻被記錄下來，實驗展示了安裝了傳感電路后移動機器人在實時的簡單環(huán)境中發(fā)覺和防撞的能力，不過，由于汽車的速度和大小比蝗蟲的天敵要大的多，因此還需要科學家們對數(shù)據(jù)進行調整。

2009年3月，沃爾沃公司在舊金山發(fā)布了一款號稱沃爾沃有史以來最安全的車型，這個取名為“城市安全”系統(tǒng)的防撞系統(tǒng)通過擋風玻璃前的激光感光器能夠對與此車同方向行駛的，停止或移動的前車做出急速剎車反應，幫助低速時車輛追尾的情況發(fā)生。

沃爾沃公司還推出了一個雄心勃勃的目標：2020年以后，所有沃爾沃的駕駛者都能夠從撞車事故中生還，“我們原來的設想是以保障行人的安全為重點，如果我們能夠發(fā)現(xiàn)蝗蟲是如何防撞的，也許我們可以讓我們的車做到不撞到路上的行人?；认x反應迅速，并且有可靠的迂回飛行，他們通過計算來抵抗環(huán)境的干擾，就像在城里兜圈開車一樣。沃爾沃公司試圖將相似的感知模塊使用在汽車上，但是，如果想要完全復制蝗蟲的運算方法，目前來說還不可能實現(xiàn)?；认x的計算方法比現(xiàn)今的任何一種軟硬件都要復雜，我們的科技還沒有能夠達到與自然界動物相匹配的水平。”沃爾沃的安全技術設計專家說。

無論怎樣，沃爾沃的安全團隊目前已經設計出一個行人警報系統(tǒng)并準備在未來推出，同時，他們也在不斷努力，希望最終能設計出不會碰撞的汽車，此外，他們還有考慮，怎么讓這個系統(tǒng)不會吵到人們，雖然有蝗蟲來幫忙，但要把蝗蟲的大腦放在汽車里，還有許多研究工作要做。

他們正準備推出一輛原型車，該車的防撞系統(tǒng)將在司機覺察到危險的臨近前，并發(fā)出警報提醒司機躲避。對于監(jiān)測到的物體，系統(tǒng)會先做出評估，判斷它是否會引起碰撞、距離、速度和角度方向，確保不會發(fā)出錯誤警報，打擾司機注意力；如果情況更糟，該系統(tǒng)就要采取進一步行動，比如控制剎車裝置、拉緊安全帶或使用內部安全氣袋。系統(tǒng)下一步還要配備外部安全氣袋，以保護行人的安全。