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受自然启发的传感器可以帮助自主机器看得更清楚

更好的传感能力将使无人机能够在危险环境中导航,并使汽车能够防止人为失误造成的事故。当前最先进的传感器技术处理数据的速度不够快,但大自然可以。

研究人员在蜘蛛、蝙蝠、鸟类和其他动物的启发下构建了传感器,这些动物的实际感觉是与称为机械感受器的特殊神经元相连的神经末梢。神经末梢——机械传感器——只检测和处理对动物生存至关重要的信息。它们以头发、纤毛或羽毛的形式出现。许多生物机械传感器根据压力或温度变化等阈值过滤数据——它们从环境中接收到的信息。

例如,蜘蛛的毛茸茸的机械传感器位于它的腿上。当蜘蛛网以与猎物或配偶相关的频率振动时,机械传感器会检测到它,从而在蜘蛛体内产生反射,然后迅速做出反应。机械传感器不会检测到较低的频率,例如网上的灰尘,因为这对蜘蛛的生存并不重要。

这个想法是将类似的传感器直接集成到自主机器的外壳中,例如飞机机翼或汽车车身。可以定制机械传感器,以检测与自主机器需要避开的特定物体相关的预定力。

除了以非常快的速度进行传感和滤波之外,传感器还可以在不需要电源的情况下进行计算。在自然界中,一旦特定水平的力激活与毛茸茸的机械传感器相关的机械感受器,机械感受器就会通过从一种状态切换到另一种状态来计算信息。新传感器做同样的事情并使用这些开/关状态来解释信号。然后,智能机器会根据传感器的计算结果做出反应。

人工机械传感器能够非常快速地进行传感、过滤和计算,因为它们是刚性的。传感器材料设计为在被外力激活时快速改变形状。改变形状使材料内的导电颗粒彼此靠近,从而使电流流过传感器并携带信号。该信号告知自治系统应如何响应。

使用机器学习算法,可以训练传感器以最小的能耗自主运行。制造各种尺寸的传感器也没有障碍。


传感器

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