昆虫集成导航系统及应用

张 丹 冉 浩 朱朝东*

（1 中国科学院动物研究所动物进化与系统学实验室 北京 100101 2 中国科学院大学生命科学学院 北京 101411 3 河北满城中学 河北满城 072150）

1 昆虫导航系统机理

1.1 视觉导航机制 体型和重量的限制促进了昆虫视觉和神经系统的高度进化［1］。研究发现，昆虫的脑重不足1 μg，其神经细胞数也只有人类的万分之一，但却有一个快速运转、精确可靠的视觉神经系统，使得昆虫可以用简洁、新奇的方法实现在复杂自然环境中的精确导航［2］。昆虫独特的复眼结构使其能够收集全方位图像。Srinivasan 等［3］研究发现蜜蜂依靠飞行过程中感受到的视觉变化导航。蜜蜂在飞行时，自身相对于外界的运动会在视网膜上产生图像变化，进而形成“光流”信息。蜜蜂正是根据这种光流信息执行速度测量、着陆、姿态控制等各种导航任务。Srinivasan 等通过视觉运动反应的研究，发现昆虫运动程序的主要特性是由视觉环境的明显运动而诱发，以便确定昆虫在环境中的飞行方向。

另一方面，偏振光导航也是视觉导航的重要内容。蜜蜂、蟋蟀、蜘蛛和蚂蚁等昆虫均可利用天空中的偏振光确定自己的方位［4］。苏黎世大学的Whener 等［5］研究发现在没有明显地标的沙漠中，偏振光和路径积累是沙漠中蚂蚁导航的主要策略。蚂蚁的眼睛能感知太阳光在大气中形成的偏振光,并通过偏振光判断自己所处的位置、方向及相对于巢穴的距离。因此蚂蚁从觅食地返回巢穴时，几乎是沿直线行走的。此外，在直翅目昆虫中，高度专化的小眼也可以感知偏振光。Labhart等［6］通过对偏振罗盘系统神经末梢元素的探索，发现大脑有强大的e 矢量发展信号，背边缘区域的光感受器有很强的极光敏感性。中枢神经产生e 矢量的模型和电生理学效应表明，许多昆虫视觉罗盘的定位都是用偏振光。

1.2 路径积累和地标导航机理

1.2.1 昆虫的学习能力 昆虫大脑很小，但具有很强的记忆和学习能力。蜜蜂第1 次离开巢穴的时候，会感知周围环境和巢穴之间的联系。蜜蜂在找到食物后会通过“摇摆舞”将食物的地点及距离巢穴的位置告诉下一个取食者。蜜蜂的摇摆舞是一个复杂的、通用的交流系统，摇摆舞的灵活程度反映了蜜蜂的认知能力。1.2.2 路径积累和地标信息 长距离的导航能力是寻找食物的重要条件［7］。昆虫通过估计自己走过路线的方向和距离，判断自己所处的位置及相对于巢穴距离和方向，这种方法称为路径积累。以前的研究认为社会性昆虫拥有一个认知地图，可以让它们在环境中的点之间准确地移动。近年来的研究已经确定昆虫的导航使用的是以向量、快照、地标为基础的路线，并没有使用认知地图［8］。在s不熟悉的或者裸露的地形中，当没有可见的地标及气味轨迹作为指导的时候，路径积累对于沙漠中蚂蚁的导航是非常重要的［9］。蚂蚁在发现食物之后，可以一直向着巢穴的方向行走，最后将食物带回巢穴中，然后可以原路返回，继续寻找更多的食物。此外，蜜蜂会通过彼此间的“摇摆舞”交流，将食物的位置告诉更多的同伴，食物的距离由“摇摆舞”的圈数决定，其他的工蜂可以利用这个信息到达上一个取食者所指位置的附近。当昆虫面对一个特殊的方向罗盘的时候，它会移动身体重新获得储存的目标。在这个过程中，昆虫确定一个稳定的方向，调整自己的位置，使得地标正好落在视网膜的正确区域。以记忆为基础的指导方法表明，图像匹配的调整，以及图像匹配的位置，都基于昆虫对其周围环境的感知和记忆。首先，昆虫利用这个图像是为了保持一个熟悉的航向； 其次是为了向着一个相似的环境出发。方向指导是基于路径积累的程序，是昆虫通过罗盘信息获取自己相对于巢穴的位置和距离。Matthew Collettd 等［10］认为，昆虫体内有一个导航系统的集合体，这些导航集合体之间既相互独立，又相互配合，指导整个导航过程。

1.2.3 其他导航因素 在昆虫的导航中，触角也发挥了很大的作用。当昆虫在陆地上行走时，它们会利用触角感受气味、风向等信息以确定行走的方向和距离［11］。因此，触角提供了一个既有气味又有方向的信息。许多飞行的昆虫通过风传递的气味定位一些资源，例如食物、配偶等［12］。Mark A.Willis［13］认为，目前昆虫完成飞行任务主要由2 个机制控制： 视觉调节确定风向及气味激化了转变方向的内部程序。通过观察昆虫的飞行路径发现，这2 种飞行机制的混合是实现逆风之字形飞行的基础。

昆虫也会使用它们触角的传感器和面部毛的动力传感器，判断它们飞行的方向及估计飞行的速度。这些都与它们的视觉反馈相关，用以确定它们正在飞行的环境或飞行的方向。因此，昆虫能利用风中的气味控制飞行过程［13］。

2 昆虫的导航系统的应用

昆虫的路径整合和视觉导航系统机制的研究，为成功地将这个导航机制应用到移动设备和机器人上面提供了一个很好的生物模型。此外，在昆虫导航策略的研究中，一种生物视觉启发的、基于光流的复合导航方法已广泛应用于对地面机器人的控制中［14］。这是目前研究最为热门的导航方式。

Srinivasan教授［15］提出了仿生蜜蜂视觉机理和导航方法的光流计算模型。其研究成果已经用于多种自动导航系统的研制，例如帮助无人侦察机根据地形航行并保持水平、小型机器人在狭窄地带中的行进及全景成像和监测系统。Srinivasan教授研制了成本低廉且无需回收的飞机模型。该飞机模型最终有可能用于探测火星的奥秘。迄今为止的研究表明, 蜜蜂精密复杂的视动系统能使其以较高的准确率追踪移动目标。如果将这种特性明确并应用于军事领域, 对改善导弹技术将发挥巨大作用［16］。另一方面，全球卫星技术（GPS）已经为无人驾驶技术在目的地细节设计方面提供指导。但这个技术仍然存在很大的缺陷，例如在水中，洞穴中的导航性能还不够精确。而昆虫精确的导航系统，基本不会受周围环境的影响。如果将这个技术应用到导航领域，可以提高无人驾驶技术导航的精确性，同时在短时间内很难被人为破坏和干扰, 特别适合在弱/无卫星信号的陌生环境下实现自主导航。

3 问题与展望

昆虫精密而复杂的导航系统，为其觅食和求偶等生命活动提供了精确的指导，使得种群不断繁衍生息。昆虫导航系统已经成为一种生物模型，在导航系统中应用广泛。但昆虫利用偏振光的视觉导航，以及学习和记忆系统是一个很复杂的过程，还存在许多问题有待阐明。特别是昆虫的视觉导航，仍存在许多未知。导航系统与国家安全、国防稳定，以及人们的生活息息相关，现已成为一个研究热点。对昆虫导航系统的研究，不仅为导航系统提供理论依据，而且对未来科技的发展将产生重大影响。