華盛頓大學的工程師們設計了一種小巧、高效的機器人視覺系統，該系統總重量只有 250mg，相當于一張卡片重量的 1/10。研究人員將其固定在活甲蟲的身上，并能夠以 1-5 幀 / 秒的速度向智能手機實時傳輸視頻。
這項研究成果發表在最新一期的 Science Robotics 上。
在電影《蟻人》中，主人公通過縮小身體尺寸，可以隨意穿梭于各種巖石縫隙。更為震撼的是，通過昆蟲第一視角看到的景象，和我們的認知大為不同。
現在，華盛頓大學的科研人員讓電影情節變成了現實。副教授 Shyam Gollakota 帶領他的團隊，在微軟獎學金和美國自然科學基金會的資助下，設計了一款小到可以安裝在甲蟲背部的視覺系統，該系統可以通過藍牙裝置實時傳輸甲蟲第一視角畫面，通信范圍比足球場略大，為 120 米。
為什么會選擇甲蟲？是什么啟發了工程師將機械裝置和活體生物聯系起來？這項研究始于對這樣一個問題的探索——如何實現微型機器人視覺功能？
長久以來，復雜的視覺系統必然伴隨大尺寸、高能耗，也就是說，只有大型機器人才配擁有視覺系統。而微型機器人，要么無法安裝視覺裝置（尺寸過大），要么必須帶一根長長的線——用來通信和供電，否則續航能力堪憂。
因此，如何給微型機器人設計一款低能耗、高續航、無線的視覺系統，成為機器人領域工程師們的重大挑戰。
為了解決這個難題，Gollakota 和他的團隊拋開工程領域，到生物學領域尋求答案。通過對一系列生物視覺系統的研究，工程師們發現了有意思的現象。
從低級物種到高級物種，生物體為視覺系統供給的能量是不一樣的。比如浮游生物，雖然低級，但通過長期的進化，它們真正做到了視覺系統的“高性價比”，這恰恰是研究人員想在機器人身上實現的。
“高性價比”有兩個特征：能省就省，夠用就好。
華盛頓大學的工程師們發現，人類作為最高等的生物，我們的眼睛和視覺皮質占人體總重量的 0.6%，而昆蟲類，比如蒼蠅，該比例卻高達 2.5%-13%。
質量占比越高，意味著能耗越大。
拿蒼蠅種族中的綠頭蒼蠅為例，且不說整個視覺系統，單單一個視網膜，就消耗了其代謝能量的 8%。
如此高的能耗，是自然界所無法接受的。因此在漫長的進化中，昆蟲 “學會” 了一整套節約能耗的辦法。
第一招，只在視網膜的一小片區域發展視覺功能。這有點 “集中優勢兵力打擊敵人” 的意味，既然視網膜耗能太高，昆蟲就縮小視網膜的視覺能力范圍。
第二招，多轉頭，少動身體。如果昆蟲想要獲得其他方位的畫面信息，不需要移動身體，它們的頭部可以獨立于身體轉動。轉動頭部顯然比移動身體更節約能量。更有甚者，頭也不轉，可以轉眼睛。
用工程師的話來說，這一招實現了“高效能收集視覺信息”。
了解到這些關鍵點，Gollakota 團隊嘗試將其應用在機器人視覺系統的設計中。
他們的規劃是，首先把設計的裝置固定在活體甲蟲背面，以測試其效果，然后用甲蟲大小的機器人替換甲蟲，最終實現帶有視覺系統的微型機器人設計。
Gollakota 等人設計的這一套機器視覺系統，可以說是昆蟲視覺系統的人工版本。
在分辨率上，該系統采用的圖像傳感器精度和昆蟲相當，較低的分辨率意味著更輕、更節約電量。最終的設計也體現了這一點，整套視覺系統總重 250mg，相當于一張卡片的 1/10 重量。
此外，工程人員把攝像頭安裝在了一個可以旋轉的機械裝置上，該機械裝置通過機載驅動器控制，可以轉動 60 度，并且能夠左右平移。此舉模擬了昆蟲的頭部功能，即在不移動身體的情況下獲得更大的視覺范圍。而平移功能允許攝像頭捕捉運動物體，甚至能夠拍攝全景照片。
最后，工程人員創造性地在視覺系統中添加一個特殊裝置——加速計，加速計可以檢測甲蟲是否處在運動狀態。只有當甲蟲處在運動狀態時，才觸發視覺系統的拍攝功能。
用參與項目的該校博士生 Vikram Iyer 的話說，“如果攝像頭一直工作，那整個視覺系統只能續航 1-2 小時。安裝加速計之后，續航提高到 6 小時”。
加入這一系列仿生設計，機器視覺系統的能耗比傳統方式低 24-86 倍。
最終的實驗結果令人滿意。由于整個裝置足夠輕便，甲蟲甚至可以背著 “設備” 爬樹。而通過智能手機操縱可旋轉的攝像頭，實現了全景拍攝。
機器視覺系統在甲蟲身上獲得了成功，團隊進而設計了一款甲蟲大小的微型機器人，搭載該視覺系統，取得了同樣好的實驗結果。
Gollakota 認為，通過大幅度降低傳統視覺系統的尺寸、功率與重量，將攝像頭的使用拓展到了以前不可能的新領域。
“視覺對溝通和導航都非常重要。當昆蟲四處移動時，捕捉和傳輸實時數據對農業產業、工業物聯網的發展非常有益，” Gollakota 說。
同時，該團隊準備公開該項目的代碼，和所有研究人員共享。
在未來，他們計劃在 “低能耗” 上更進一步——徹底擺脫電池的限制，此舉可以通過利用太陽能實現。
