一只能看懂路标的大鼠
在一个复杂环境中,一只戴着“头盔”的大鼠正在执行任务,它的目标是找到一张印着人头的照片。在环境中有各种指示箭头,大鼠好像看懂了路标,顺着路标准确地找到了目标照片。
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图1. 大鼠机器人在复杂环境中搜寻目标
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依托于混合智能的视觉增强大鼠
大鼠的视觉很弱,执行这项任务,靠的是“嫁接”在它大脑的“机器视觉”。在大鼠的“头盔”里,有一个微型摄像头,充当大鼠的眼睛,把拍摄到的信号实时传输到外部运算电脑上,通过分析图像,电脑帮助大鼠做出行动判断,把行动指令传输给信号接收器,进一步通过刺激大鼠相应脑区,进而引发正确的行动。
计算机的视觉补充了大鼠自身的视觉,这一机器智能与生物自身智能融合的模式,被称为“混合智能”(bio-hybrid organism/cyborgs)。
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图2. 大鼠机器人示意图
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为什么刺激指令可以帮助大鼠导航?
那究竟是什么样的刺激指令帮助大鼠在左转、右转和前进中做出选择的呢?
原来,在大鼠脑部有一个重要神经结构——内侧前脑束(medial forebrain bundle,MFB),它与寻求奖赏体验以及形成欲望或动机密切相关。此外,大鼠原先是通过它们的胡须来敏锐地感觉周围的环境,进而决定行动。因此通过刺激大鼠的初级躯体感觉皮层(primary somatosensory cortex,SI),使他们产生胡须被触碰的感觉,就能以此诱导它们做出相应的转向运动,而通过把前进与奖赏建立联系,就可以促使大鼠做出前进的行为。
计算机视觉如何帮助大鼠增强?
在研究团队的上一版大鼠机器人中,刺激大鼠脑部的运动指令是由实验人员人工判断发出的,而这一次,这项工作完全依托于计算机视觉系统。这就意味着不单单要分辨环境信息,找到指示箭头和目标照片,还需要实时地分析大鼠的运动状态,并不断依据当前的运动状态调整刺激指令。实验结果表明,依托于计算机视觉的自动化系统与人工控制相比,在精准度和速度上都相差无几。
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图3. 计算机需要识别指示和目标
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混合智能的应用
将生物自身的感知觉能力与机器的计算能力深度结合,有望产生超越现有系统的更强智能形态。这一探索有望为神经康复和动物机器人提供研究思路,在残障康复、抢险救灾、国防安保等领域具有广阔的应用前景。
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相关文献:
Wang, Y., Lu, M., Wu, Z., Tian, L., Xu, K., Zheng, X., & Pan, G. (2015). Visual cue-guided rat cyborg for automatic navigation [research frontier]. IEEE Computational Intelligence Magazine, 10(2), 42–52. https://doi.org/10.1109/MCI.2015.2405318