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2021年04月09日 | 西北大学研究果蝇行为 为自动驾驶研发提供新思路
2021-04-09
据美国汽车协会（AAA）自动驾驶调查报告显示，70%以上的受访者表示仍然对全自动驾驶汽车心存疑虑，这可能使特斯拉等汽车制造商在推出全自动驾驶系统前从头开始。但西北大学（Northwestern University）最新的一项研究表明，让果蝇驾驶汽车可能比机器人效果更好。
果蝇一直是实验室的重要实验对象。近日发表在期刊《Nature Communications》的一项研究表明，果蝇会利用决策、学习和记忆执行简单的功能，如散发热量。目前，研究人员正试图通过理解其行为改变对于自动驾驶的传统思考模式。
（图片来源：西北大学）
西北大学温伯格艺术与科学学院（Weinberg College of Arts and Sciences）神经生物学副教授、该研究的通讯作者Marco Gallio表示：“果蝇会在非常简单的导航任务中进行灵活决策、学习和记忆，这一发现十分新颖且令人惊讶，使得我们重新考虑安全灵活的自动驾驶车辆需要什么样的编程。”
Gallio称，此项研究背后的问题与全自动驾驶汽车的问题类似，比如，果蝇（或汽车）如何应对新事物，以及如何能够制造出可灵活适应新条件的汽车。这一发现揭示出果蝇的大脑功能通常与老鼠和人类等更复杂的大脑有关。
Gallio表示：“动物的行为，尤其是昆虫的行为，通常被认为像机器一样是固定的和硬连线的。但大多数人可能都不知道，与我们截然不同的果蝇可能具有复杂的大脑功能，可学习、记忆或做出决策。”
为研究果蝇是如何散发热量的，Gallio实验室使用四块地砖建立了一个微型塑料室，可独立控制温度并防止果蝇飞出。随后，研究人员使用高分辨率的录像机记录下果蝇在遇到热瓷砖与冷瓷砖边界时的反应并绘制路线图。他们发现，果蝇非常擅长将热边界视为隐形屏障，从而避免受伤。
利用真实的测量结果，该团队创建出一个3D模型，可估算整个实验过程中果蝇微小身体各部分的确切温度。在其他试验中，研究人员在苍蝇头部开了一个“天窗”，记录了处理外部温度信号的神经元的大脑活动。
Gallio实验室的博士后研究员、该研究的第一作者MiguelSimões称果蝇能够以极高的准确性确定热安全性的最佳途径是向左还是向右。通过描绘果蝇的逃跑方向，Simões表示果蝇当从右边靠近时“几乎总是”向左逃跑，“就像网球从墙壁上弹起一样”。
Simões表示：“果蝇遇到高温时必须迅速做出决定，是继续还是回头更安全？决策很大程度取决于另一边温度的危险系数。”Gallio实验室成员Josh Levy以及应用数学教授William Kath表示：“控制论专家Valentino Braitenberg在其著作中描述了由传感器和电动机构成的简单模型，可能会再现动物行为。车辆是简单导线的组合，但其行为非常复杂且智能。”
通过使用与Braitenberg车辆相同的布线和算法对果蝇行为进行计算机仿真，西北大学研究小组制造出一辆汽车，从而确定其动物行为的相似程度。进行模型车竞赛仿真后，该小组通过自然选择选出性能最佳的车辆，并对其做出些许改动，随后再与高性能汽车重新组合。Levy在庞大的NU（努塞尔数的数学符号）计算集群中进行了500代进化，打造出最终可像果蝇一样逃避现实热量的汽车。
该模拟表明，最终“硬连线”车辆性能会与果蝇一样好。但是，随着时间的推移，果蝇的飞行性能不断提高，并学会采用更好的策略提高效率，但车辆仍然“笨拙”且不灵活。研究人员还发现，即使果蝇执行了逃逸热量的简单任务，其行为仍然存在部分不可预测，保有个人决策空间。最后，科学家们观察到，果蝇即使缺少触角仍然可以适应新情况并找出新的逃逸策略，但以同样方式“损坏”的车辆却无法适应及成功转向，最终还是被困住，就像狗追尾巴一样地旋转。Gallio表示，简单导航却包含了如此复杂的过程，这为未来自动驾驶的发展提供了依据。
史海拾趣
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