DOI: 10.1002/aisy.202400492
原文鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202400492
背景概述
在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的水下環(huán)境中，機(jī)械外部刺激的感知對(duì)于增強(qiáng)傳感器與執(zhí)行器的精度和功能性至關(guān)重要。然而，由于水下環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性和多樣化刺激的復(fù)雜性，目前的機(jī)械感知系統(tǒng)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，Hua Zhong、Sicong Liu 和 Zheng Wang 等研究人員提出了“DOUMI”（Dynamics-Oriented Underwater Mechanoreception Interface），一個(gè)基于仿生設(shè)計(jì)的水下機(jī)械感知界面。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模仿水生節(jié)肢動(dòng)物的機(jī)械感受毛（sensilla），設(shè)計(jì)了一種能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍變化并區(qū)分水流和接觸刺激的集成系統(tǒng)，為水下感知技術(shù)提供了突破性解決方案。
工作簡(jiǎn)介
DOUMI 的設(shè)計(jì)特色在于其集成的感受器裝置,基于視覺(jué)的信號(hào)處理方法和頻域視角進(jìn)行的動(dòng)態(tài)特性分析。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)視覺(jué)方法提取感受器陣列的動(dòng)態(tài)振動(dòng),用基于小波變換量化的頻域傾向，實(shí)現(xiàn)了二維平面上的高效刺激解碼。感受器能夠通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整適應(yīng)不同的動(dòng)態(tài)范圍，成功區(qū)分水流刺激和接觸刺激，并在復(fù)雜嚴(yán)苛的水下環(huán)境保證運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，DOUMI 中的感應(yīng)器在水流和接觸刺激的分類(lèi)中達(dá)到了 90.5% 的準(zhǔn)確率，同時(shí)具備檢測(cè)流速趨勢(shì)和復(fù)雜場(chǎng)景刺激的能力。下圖展示了 DOUMI 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 仿生感受器設(shè)計(jì)與 DOUMI 系統(tǒng)構(gòu)造示意圖
(a) 圖示展示了 DOUMI 系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)靈感來(lái)源:節(jié)肢動(dòng)物的機(jī)械感受器（左側(cè)），以及其仿生等效機(jī)械感應(yīng)器REEM（右側(cè)）。感受器由圓柱形軸、基底膜和關(guān)節(jié)膜組成，能夠通過(guò)由外側(cè)傳至內(nèi)側(cè)的角度形變感知外部刺激。REEM 單元通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)（攝像頭）捕捉感受器的動(dòng)態(tài)形變時(shí)序信號(hào)，并在此基礎(chǔ)上解碼刺激強(qiáng)度和類(lèi)型。
(b) 圖示進(jìn)一步說(shuō)明了 DOUMI 系統(tǒng)如何依據(jù)感應(yīng)器形變的動(dòng)態(tài)特性來(lái)區(qū)分水流和接觸這兩種刺激。左側(cè)表示水流刺激引起的感應(yīng)器振動(dòng)，右側(cè)表示接觸刺激下的感應(yīng)器穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)。
(c) 詳細(xì)展示了感受器形變的捕捉過(guò)程，依次包括刺激所引發(fā)的外側(cè)REEM的偏轉(zhuǎn)、內(nèi)尖端偏轉(zhuǎn)、圖像上的像素位移、圖像中所提取出的偏轉(zhuǎn)投影等多層次的運(yùn)動(dòng)傳輸過(guò)程。
(d) 展示了 DOUMI 系統(tǒng)的感應(yīng)界面，包含“攝像頭側(cè)”和“水下側(cè)”兩部分，感受器陣列均勻分布于系統(tǒng)界面，提供高空間分辨率的感知能力。
圖2. DOUMI 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置與多模態(tài)感知能力
(a)實(shí)驗(yàn)裝置模擬水流和接觸刺激。
(b) 感應(yīng)器REEM的偏轉(zhuǎn)場(chǎng)。
(c) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了接觸刺激和水流刺激的時(shí)間序列信號(hào),以及用小波變換提取指數(shù)WSSI做區(qū)分的結(jié)果，分別在振幅、方向和頻率上表現(xiàn)出顯著差異。
(d) 熱圖進(jìn)一步說(shuō)明了不同刺激條件下，感受器陣列的形變分布特性。
(e) 圖示展示了 DOUMI 系統(tǒng)的特征融合網(wǎng)絡(luò)，將時(shí)空域與頻域的信號(hào)進(jìn)行卷積處理后，成功分辨出復(fù)雜情況下的外界刺激模式。
圖3. DOUMI 系統(tǒng)的多場(chǎng)景性能測(cè)試
(a) 實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同流速水流及接觸刺激下，感受器陣列的視覺(jué)化響應(yīng)。
(b) 感應(yīng)器偏轉(zhuǎn)場(chǎng)展示了接觸區(qū)域和水流區(qū)域在空間上的區(qū)分效果。
(c) 柱狀圖比較了 DOUMI 系統(tǒng)在不同刺激模式下對(duì)于單個(gè)感應(yīng)器感知刺激的分類(lèi)準(zhǔn)確率，接觸刺激、水流刺激和靜止模式的分類(lèi)準(zhǔn)確率分別達(dá)到 86.81%、91.96% 和 95.47%, 總準(zhǔn)確率達(dá)90.5%。
(d) 圖表展示了均一流流速和射流的水泵強(qiáng)度變化對(duì)感受器平均激活率和形變幅度的影響，進(jìn)一步量化了系統(tǒng)對(duì)于水流流速變化的靈敏度。
(e) 系統(tǒng)分類(lèi)器的模型結(jié)構(gòu)示意圖及混淆矩陣,表明 DOUMI 系統(tǒng)在多種復(fù)雜刺激模式下的分類(lèi)準(zhǔn)確率高達(dá) 99.5%。
結(jié)論
DOUMI 的研究展示了一種新型的水下機(jī)械感知解決方案，結(jié)合了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的視覺(jué)處理技術(shù)和小波變換分析。其集成的感受器設(shè)計(jì)和高效的解碼能力為動(dòng)態(tài)水下環(huán)境中的感知提供了全新的可能性，具有廣泛的應(yīng)用潛力。
期刊簡(jiǎn)介
Wiley旗下智能系統(tǒng)領(lǐng)域開(kāi)放獲取旗艦刊。期刊收錄關(guān)于具有刺激或指令響應(yīng)智能的人造裝置系統(tǒng)的研究，包括機(jī)器人、自動(dòng)化、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、智能傳感和程序化自組裝等前沿應(yīng)用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指標(biāo)1.11，期刊影響因子6.8，在計(jì)算機(jī)科學(xué)，人工智能和自動(dòng)化與控制系統(tǒng)中分類(lèi)皆為Q1。(源自Clarivate 2023)
