蝗虫引发的汽车防撞技术改良

徐　媛

只要一提到蝗虫，我们的第一印象一定是它们遮天蔽目的嗡嗡而来，扫光路上的每一寸绿色的“破坏神”模样。但是，你能相信吗?蝗虫的某些反应，完全可以帮助我们从车毁人亡的撞车事故里安全逃生。一场汽车安全技术革命竟源于小小的蝗虫?英国科学家最近就因发现了蝗虫运动生理系统的一些防撞诀窍，从而在汽车设计中，成功应用了从前看来完全不可能实现的“智能避让”。

在地球上会飞的生物群中，蝗虫群绝对是飞行密度最大的一个，一个蝗虫群可能由数十亿只蝗虫构成，它们按照编队飞行，根据邻近同伴的行动选择自己的运动方向，当许多蝗虫聚集在一起时，它们就会改变编队的形状和位置。但它们的间距密度如此之大，移动速度如此惊人，几乎到了摩肩接踵的地步，却无论如何也不会相撞。

和人类不同，蝗虫的视觉暂留时间要比人短得多，视觉暂留是动画、电影形成和传播的根据，这意味着它能更快地做出反应，躲避碰撞。蝗虫的反应如此之快，仿佛所看到的信息似乎是绕过大脑被立即传递到它翅膀的神经细胞上。科学家们发现，它们之所以能做出如此迅速的反应，全在于眼睛后面的一个大型神经元传感器。

当物体在眼睛17度的方向出现时，这个传感器会用25毫秒的时间产生一个强度极大的电流峰值发出警告，指示蝗虫作出躲避的反应。通过模型和电生理学的技术，科学家们渐渐发现，这个峰值的产生过程并不是蝗虫的自然反应，相反，却是因为受到以前的类似经历刺激产生。在非洲，喜欢吃蜜蜂的洋红蜂虎是蝗虫的天敌，它们的胸径只有40到46毫米，而蝗虫在飞行时翼尖的间距不到100毫米，很容易从蝗虫中间通过。所以，为了避开这些贪吃的天敌，蝗虫只要稍微发觉有物体接近时，它的运动神经传感器就会不断增强反应，使得蝗虫可以在被撞击之前做出逃离反应。从觉察到运动物体到做出反应，整个过程不超过45毫秒。正是因为如此，即使每平方公里有8000万只蝗虫，它们也不会撞得焦头烂额。

驾驶员只要在有碰撞危险的0.5秒前得到预警，就可以避免至少60％的追尾撞车事故，30％的迎面撞车事故和50％的路面相关事故；若有1秒钟的“预警”时间，则可避免90％的事故，但是，如何让汽车在这么短的时间内完成计算和做出快速的规避反应，却是让科学家们一直头疼的问题。虽然目前一些豪华轿车上也有利用雷达、激光或者声纳技术制成的防撞系统，它们可以利用探测两车的速度和距离，感知汽车的行驶状态，从而强制性改变制动系统的状态，达到防撞的目的。但是，由于进行这样的运算需要经过复杂的计算机程式运算，再加上实际环境的限制，这些高级防撞系统的使用效果常常不尽如人意，有的把超车当做了撞车，有的一受到虚假信号干扰就玩罢工，不仅虚警和漏警的现象频发，昂贵的价格也常常让人望而却步。

这时候，蝗虫能给我们很多启发。许多视觉系统的基本任务就是区别视觉运动，而蝗虫辨别物体接近或者后退的方式，是通过观察物体的图像是否还在其每只复眼的视觉范围中运动。蝗虫的神经传感器是一个能够瞬间进发能量的视觉中间神经元，当物体靠近时快要撞上来时，神经元电流的频率会不断频繁地增大，神经元机制的计算并不复杂，它们不会对障碍物体进行身份鉴别，也不会进行速度估算，或者做路径规划上的遐想。最近的研究显示，如果将它做成模块放入汽车电脑当中，它就能成功地探测碰撞。但是，神经元的构成极其复杂，这个反射行为既会发出碰掩警告，也有可能产生非碰撞警告的信号。随后的试验证明了这个问题的存在：突触前神经元在展示它筛选图像的非凡能力时太过兴奋，直到碰撞时才将信号兴奋传给神经元，经过考虑，科学家们将神经元信息与四个定向敏感的神经元进行合成。通过模拟蝗虫的眼睛和神经元，林德与苏黎世理工学院的神经元研究所合作，将电路装载到一个三轮的小机器人身上，接着，为了模仿蝗虫复眼的“边缘监测”原理，科学家们在机器人身上装上了一个分辨率仅为20像素的摄像头，与蝗虫复眼的视力类似，摄像机得到的信号被电路进行分析，在实验中，科学家们用一个由乐高砖制成的玩具塔去冲撞机器人，摄像头捕捉到的信号先被送往一个神经网络数据处理系统进行预处理，然后送往运动传感器。测试的结果非常理想：即使在很短的时间内，机器人也能成功的躲过91％的冲撞。一些碰撞和非碰撞场面的视频被记录下来，实验展示了安装了传感电路后移动机器人在实时的简单环境中发觉和防撞的能力，不过，由于汽车的速度和大小比蝗虫的天敌要大的多，因此还需要科学家们对数据进行调整。

2009年3月，沃尔沃公司在旧金山发布了一款号称沃尔沃有史以来最安全的车型，这个取名为“城市安全”系统的防撞系统通过挡风玻璃前的激光感光器能够对与此车同方向行驶的，停止或移动的前车做出急速刹车反应，帮助低速时车辆追尾的情况发生。

沃尔沃公司还推出了一个雄心勃勃的目标：2020年以后，所有沃尔沃的驾驶者都能够从撞车事故中生还，“我们原来的设想是以保障行人的安全为重点，如果我们能够发现蝗虫是如何防撞的，也许我们可以让我们的车做到不撞到路上的行人。蝗虫反应迅速，并且有可靠的迂回飞行，他们通过计算来抵抗环境的干扰，就像在城里兜圈开车一样。沃尔沃公司试图将相似的感知模块使用在汽车上，但是，如果想要完全复制蝗虫的运算方法，目前来说还不可能实现。蝗虫的计算方法比现今的任何一种软硬件都要复杂，我们的科技还没有能够达到与自然界动物相匹配的水平。”沃尔沃的安全技术设计专家说。

无论怎样，沃尔沃的安全团队目前已经设计出一个行人警报系统并准备在未来推出，同时，他们也在不断努力，希望最终能设计出不会碰撞的汽车，此外，他们还有考虑，怎么让这个系统不会吵到人们，虽然有蝗虫来帮忙，但要把蝗虫的大脑放在汽车里，还有许多研究工作要做。

他们正准备推出一辆原型车，该车的防撞系统将在司机觉察到危险的临近前，并发出警报提醒司机躲避。对于监测到的物体，系统会先做出评估，判断它是否会引起碰撞、距离、速度和角度方向，确保不会发出错误警报，打扰司机注意力；如果情况更糟，该系统就要采取进一步行动，比如控制刹车装置、拉紧安全带或使用内部安全气袋。系统下一步还要配备外部安全气袋，以保护行人的安全。