用深度学习的方式设计“苍蝇”机器人

仿生苍蝇机器人的设计概念图

“想想苍蝇能做什么，”帕万·拉姆迪亚（Pavan Ramdya）教授说，他在EPFL大脑思维研究所（brain mind institute）的实验室和EPFL计算机科学研究所（institute for computer science）的帕斯卡·福亚（Pascal Fua）教授的实验室领导了这项研究。“苍蝇可以爬过轮式机器人无法爬过的地形。”

苍蝇并不讨人喜欢。我们将它们与日常生活中不太令人“开胃”的经历联系在一起。但如今它们却有一条意想不到的救赎之路：机器人。事实证明，苍蝇具有的一些特征和能力，可以为机器人系统的新设计提供参考。

“与大多数脊椎动物不同，苍蝇几乎可以爬上任何地形，”拉姆迪亚说。它们可以粘在墙壁和天花板上，因为它们的腿尖上有胶粘垫和爪子。这使得他们基本上可以去任何地方。这也很有意思，因为如果你能在任何表面上休息，你就可以通过等待合适时机去这么做来管理你的能量消耗。”

正是这种从苍蝇行为中提炼可以影响机器人设计原理的愿景，推动了DeepFLy3D软件的研制，DeepFLy3D是一套果蝇的运动捕捉系统（果蝇是一种在生物学中几乎无处不在的模式生物）。

在拉姆迪亚的实验装置中，一只苍蝇在一个像微型跑步机一样的小浮球上行走，而7个摄像头记录它的每一个动作。苍蝇的上侧粘在一个不可移动的舞台上，这样当它在球上行走时总是保持原位。然而，苍蝇“相信”它在自由移动。

采集的相机图像随后由DeepFLy3D进行处理，DeepFLy3D是一款由Semih Günel开发的深度学习软件，Semih Günel是一名在Ramdya和Fua的实验室工作的博士生。”“这是一个很好的例子，说明跨学科合作是必要的和变革性的，”Ramdya说。通过利用计算机科学和神经科学，我们解决了一个长期存在的挑战。”

DeepFLy3D的特殊之处在于，它可以推断出苍蝇甚至其他动物的三维姿势，这意味着它可以自动预测并以前所未有的分辨率进行行为测量，用于各种生物应用。该软件不需要手动校准，它使用相机图像自动检测和纠正任何错误，它在计算苍蝇的姿态。最后，它还使用主动学习来提高自己的性能。

DeepFLy3D提供了一种在三维空间中高效准确地模拟果蝇运动、姿势和关节角度的方法。这可能会启发出一种自动模拟其他生物体的三维姿势的标准方法。

“苍蝇作为一种模式生物，很好地平衡了可驯化性和复杂性，”拉姆迪亚说。如果我们了解它是如何工作的，我们就可以对机器人和医学产生重要影响，也许最重要的是，我们可以在相对较短的时间内获得这些见解。”

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作者：by Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

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