蜜蜂大脑中高效辨识颜色的运算公式可用于无人机和机器人

一种蜜蜂的特殊眼睛可让他们在任何灯光环境中辨识颜色。
一种蜜蜂的特殊眼睛可让他们在任何灯光环境中辨识颜色。(Supplied: Luis Mata, RMIT)

科学家正在研究蜜蜂辨识颜色的原理,并表示蜜蜂的高效视觉系统可为机器人和无人机观察世界带来革命性的出路。

人类辨识颜色的方式深受周围环境光照变化的影响,比如在日落或午夜时分。但蜜蜂在不同的环境光照中都能辨识同样的颜色。

一支来自墨尔本的团队正在研究蜜蜂解开这一难题的办法——除了使用头前方的两只复眼为主以外,还会使用三只位于头顶的特殊眼睛。

“这三只眼睛朝着天空,它们直接在我们的头顶捕捉(环境)光照的颜色,”来自墨尔本皇家理工大学(RMIT University)的艾德里安·戴尔博士(Dr Adrian Dyer)说。

“无论今天是个晴天还是阴天,(这三只眼睛)都能监测到。”

“这意味着它们的大脑了解它们身处怎样的光照环境,然后当它们(用另两只主要的复眼)直视一朵花时,它们可以说,‘啊,因为今天是个大晴天,所以正确的颜色应该是这样显示出来的;或者,若今天是个阴天,那么它会以其它形式表现出来。’”

艾德里安·戴尔博士(Dr Adrian Dyer)

这种能力对蜜蜂来说是至关重要的,因为这种能力能允许他们寻获最好的花朵以采集食物、带回蜂巢。

这支团队发现,蜜蜂头顶的三只眼睛名为单眼(ocelli),包含两个可以完美感应环境光照的颜色接收器。

由单眼(ocelli)收集的信息会和长在前面的两只复眼辨识到的颜色信息相结合。

为了证实这一过程,研究者们绘制了从单眼(ocelli)发送出的“神经示踪”(nerual tracings)的模式图,显示出单眼(ocelli)把收集到的信息提供给大脑中进行颜色处理的区域。

这个项目是由一个联合团队完成的,团队成员分别来自墨尔本皇家理工大学(RMIT University)、蒙纳士大学(Monash University)、墨尔本大学(University of Melbourne)和迪肯大学(Deakin University)。他们的研究结果将于今天发表在一份名为《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,通常简称为PNAS)的科学期刊上。

图为寨尔·嘉西亚博士(Dr Jair Garcia,图左)马尔赛罗·罗萨教授(Professor Marcello Rosa)和艾德里安·戴尔博士(Dr Adrian Dyer,图右)三位研究人员在研究蜜蜂处理颜色信息的过程。
图为寨尔·嘉西亚博士(Dr Jair Garcia,图左)马尔赛罗·罗萨教授(Professor Marcello Rosa)和艾德里安·戴尔博士(Dr Adrian Dyer,图右)三位研究人员在研究蜜蜂处理颜色信息的过程。(Supplied: Monash University)

科技效仿蜜蜂

正如人类无法可靠辨识颜色,摄影机、机器人和无人机同样面临这个难题,因为我们周围的环境光照会产生变化。

戴尔博士表示,这个历日旷久的难题阻碍了技术的进步,使一系列任务难以实施。

“对机械视觉来说这是个很大的难题,(机器)该如何在环境光照的颜色产生变化时做出可靠的决定呢?”他说。

“所以我们的研究着眼于蜜蜂解决这一难题的原理。”

这支团队发现了蜜蜂的大脑在处理一些材料时使用的数学原理。这些材料由蜜蜂头顶的三只眼睛收集到的环境光照信息经大脑处理后,被用于调整映入它的两只主要的复眼的画面。

这些数学公式可以轻松地编入计算机程序中。

使用这项技术的例子之一来自于园艺学(horticulture)。

无人机可在种植园附近飞行,它还可能会在夜间飞行。它们能精准地识别不同水果的颜色,以确定它们是否已经可以采摘。

管理者便可做出精准的决定,从而有效地部署他的劳动力。

这种更精准地分析颜色的能力还能用于由无人机运行的基础设施检查,例如检查大桥或分析矿物质沙地。

“这些想法已经出现很久了,但如何能精准地判定颜色一直是症结所在,”戴尔博士说。

这个项目的资金支持来自澳大利亚研究理事会(Australian Research Council)。


题图:一种蜜蜂的特殊眼睛可让他们在任何灯光环境中辨识颜色。(Supplied: Luis Mata, RMIT)

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