當自動駕駛遇上“蜘蛛俠”

蜘蛛俠的“spidey senses”（蜘蛛感官），想必曾經(jīng)令無數(shù)中二少年心向往之。

這種超能力可以讓他預判身邊即將發(fā)生的事情，更好地探測和躲避物體，比如躲過子彈、避免被敵人擊中等等。

不過，同款放射性蜘蛛是沒有的，但同款“超能力”卻被科學家們賦予了機器。

來自凱拉·威爾斯普渡大學的研究人員，將蜘蛛式傳感器植入了自動駕駛無人機和汽車的外殼中，試圖幫助它們能夠更好地探測物體。

我們習以為常的自動駕駛，通常都可以理解為設計一個與人類一樣甚至超越人類表現(xiàn)的駕駛水準，因此，其技術路線效法的對象自然也就是人類本身。以深度學習來模擬人類的大腦，為決策提供強大的計算能力；以攝像頭、激光雷達等代替人類的雙眼，實現(xiàn)高效的傳感器融合。

然而，且不提目前的傳感器技術并沒有完全釋放類人的潛力，而且即使是真人上陣，也經(jīng)常有預判失誤導致事故。人類的極限，基本決定了此前自動駕駛系統(tǒng)的極限，也難怪馬斯克會對目前的無人車感知方案說出——“A task that has little to no chance of being successful or beneficial”（幾乎沒機會成功或取得收益）的評價。

那么，將動物們或者說超人們的“超能力”引入自動駕駛，會讓事情出現(xiàn)轉變嗎？下面就從有趣的“spidey senses”來聊聊，自動駕駛感應技術的另一種可能性。

蜘蛛俠超能力：

幫自動駕駛“看”得更清楚

蜘蛛的感知能力究竟有何特別之處呢？

這就必須提到它們處理感官信息的速度，比目前最先進的傳感器還要快，因此可以更好地在危險環(huán)境中避免事故。當然，這并不是蜘蛛的獨家技能，蝙蝠、鳥類等其他動物也或多或少都自帶“預先避障buff”。

之所以能做到這一點，因為它們的神經(jīng)末梢與被稱為機械感受器的特殊神經(jīng)元相連。而這種特殊的感應器往往以羽毛、毛發(fā)等形式出現(xiàn)，只檢測和處理動物生存所必須的信息。

人類在面臨危險時雖然也有“汗毛乍起”之類的操作，但這種“直覺”顯然已經(jīng)在進化過程中被消滅得差不多了。因此，人類往往需要盡可能多地收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)來輔助判斷，落地到自動駕駛車上，就是“寧可錯拍不可放過”的冗余攝像頭和傳感器。豐田曾財大氣粗在自家的自動駕駛原型車上搭載了七臺激光雷達（當時單價7999美金/臺）。

但是，與人類相反，大自然中的動物們并不需要“面面俱到”，它們會過濾到不需要的信息，以保證自己處理的信息不會過載，同時又保持足夠的敏感度。

比如當蜘蛛網(wǎng)以獵物或者配偶相關的頻率振動時，蜘蛛毛茸茸的腿（機械感應器就在上面）就會在體內(nèi)產(chǎn)生一種神經(jīng)反射，提醒它迅速做出反應。而更低的頻率，比如蛛網(wǎng)上的灰塵，機械感應器是“視而不見”的，因為它對蜘蛛的生存安全來說并不重要。

只有某一特定水平的力激活了“多毛的”機械感受器，它們會快速從一種狀態(tài)（收集過濾信息）轉換到另一種狀態(tài)（計算信息），并做出相應的反應。

核心成員之一Arrieta認為，在自然界，硬件和軟件沒有清晰的區(qū)別，它們相互關聯(lián)的。比如傳感器即可以收集和過濾數(shù)據(jù)，也可以用來解釋和計算數(shù)據(jù)。這顯然與普遍推行的“大腦-器官”仿人類學設計相去甚遠。

那么，這種傳感器被集成到無人機機翼或汽車外殼上，會產(chǎn)生怎樣有趣的變化呢？

為了讓自動駕駛機器能夠獲得“蜘蛛感覺”的超能力，普渡大學的研究者們開發(fā)了一種超薄的電容傳感器。它能夠從環(huán)境中接受信息，并根據(jù)閾值(如壓力或溫度的變化)過濾數(shù)據(jù)，在預定的力水平提示時還會改變形狀。而且，不需要電源。

這些機械傳感器可以被定制來檢測特定的力學變化，比如人、貓狗、井蓋、石子等，與自動駕駛駕駛需要規(guī)避的特定對象相關聯(lián)，就能實現(xiàn)快速避障的作用。

同時，普渡大學的研究人員與新加坡南洋理工大學、蘇黎世聯(lián)邦理工學院合作，設計了同樣的傳感器，利用這些“機械感受器”的狀態(tài)變化來讓自動駕駛機器像蜘蛛一樣處理數(shù)據(jù)。

因為可以形變，使得傳感器材料內(nèi)的導電粒子彼此移動得更近，從而允許電流通過傳感器并攜帶信號，這些信息則通知駕駛系統(tǒng)應該如何響應。在機器學習算法的幫助下，傳感器們能夠以最小的能耗實現(xiàn)自主工作，無形中降低了算力方面的成本。

動物仿生學引入自動駕駛，有何意義？

相比于前兩年的無比“稀奇”，如今大部分吃瓜群眾應該都對自動駕駛機器的智能程度有所了解了。

在避障技術方面，主要就是依靠超聲波、激光、視覺、毫米波雷達等傳感器的融合及協(xié)同工作，獲得道路、車輛位置和障礙物等信息，從而使無人車、無人機能夠安全靈活地行駛。

然而即使是融合了絕對數(shù)量的傳感器，無論是在物體識別還是距離估計上，依然很容易出現(xiàn)令人意想不到的差錯。

比如之前特斯拉的自動駕駛汽車因為將前方的白色大卡車當成了白云，因此發(fā)生了車禍。

“高空作業(yè)”的無人機也沒有好到哪里去，2015年紐約肯尼迪國際機場，一架無人機在7000英尺的高空中就差點撞上一架飛機，二者當時距離只有20英尺遠。

之所以會出現(xiàn)這樣的局面，主要原因有二：

第一，當前主流的傳感器幾乎都有自身局限，多傳感器相互備份和補充是必不可少的。而多傳感器融合協(xié)作，面對復雜的現(xiàn)實場景，還要達到360度無死角的高精度監(jiān)測，龐大的數(shù)據(jù)量必然會帶來堆積和冗余問題。

另外，現(xiàn)有的自動駕駛系統(tǒng)主要將算力集中在決策層面，感知層面的算力不夠充沛，自然也就導致處理器難以支撐龐大連續(xù)高速的計算壓力。一旦數(shù)據(jù)堆積導致處理延遲，自然也就更容易犯錯。

上述重要而關鍵的問題，目前看來，對癥下藥只有兩個解決方案：

1.提高感知層面的性能要求，對復雜信息和環(huán)境實現(xiàn)更高精度的識別。

2.讓感知系統(tǒng)能夠處理一部分計算任務，過濾掉無意義的數(shù)據(jù)，為“機器大腦”減負。

既然前面模仿人類生理工作機制的智能化發(fā)展不盡如人意，那么向蜘蛛、蝙蝠等“低智能、高機械”生物學習，會不會才是自動駕駛應該拿到的“劇本”呢？

沒有人能給出確切的答案，但這不妨礙有不少學者開始在這個方向努力探索了。

以前面提到的“蜘蛛感知”能力為例，AXA Winterthur關于自動駕駛研究的數(shù)據(jù)顯示，一般情況下，提前1.5秒的警示就可以減少90%的追尾碰撞。也就是說，當提前2.5秒給予一個車輛警告的話，基本上可以讓系統(tǒng)做到安全剎停，無人機同理。

目前，想要在碰撞時間（TTC）上保障這一前提，只能通過探測距離大于120米的汽車雷達實現(xiàn)。但與此同時，激光雷達的探測精度又十分離散，在120米距離上垂直和水平分辨率已經(jīng)是0.3-0.5米的級別，這意味著如果前方站著的是一個人，它很有可能會被激光雷達所忽略。而且，由于要進行360度掃描，數(shù)據(jù)緩存和回傳的時間已經(jīng)足夠發(fā)生一場悲劇了。

但是借助“蜘蛛感知”的能力，裝載了超薄電傳感器的自動駕駛機器就能夠在感知到信息的瞬間，就迅速計算并選擇性地進行處理，或能夠有效減少系統(tǒng)大腦的數(shù)據(jù)負載，從而提升自動駕駛系統(tǒng)的決策效率和靈敏度。

從某種意義上來說，現(xiàn)階段的自動駕駛感知系統(tǒng)，有點像剛剛開始變異的蜘蛛俠。在漫畫《神奇蜘蛛俠》中，他剛開始有了一定預知未來的能力，卻總是無法很好地控制自己能看到什么。讓機器快速掌握和人腦人眼一樣“看”和“聽”的能力，也同樣是強“機”所難。

更何況，人類自己還沒有搞清楚人腦是怎么工作的，又何談用機器來模仿人腦呢？

或許放下幻想，放低身段，對于動物能力的觀察與模仿，才能引領機器走向類腦智能的應許之地。