俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

本文转载自机器之心。

编辑张倩

一位俄罗斯博士用树莓派做了个「激光蚊子炮」,真的能打到吗?

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

蚊子这种体积小小的生物极其令人厌恶,虽然人类发明了电蚊香、灭蚊灯等各式各样的灭蚊工具,但蚊子对人类的困扰始终就在那里——「挥之不去」。

或许是讨厌的蚊子惹恼了「硬核的」科研工作者,他们开始了自己独特的灭蚊行动。近日,俄罗斯南乌拉尔国立大学的博士 Ildar Rakhmatulin 就创建了一个树莓派机器,利用计算机视觉和机器学习技术自动检测蚊子,并使用激光烧死它们。

具体而言,该机器基于 Raspberry Pi 3 Model B + 构建,并安装了一个配有索尼 IMX219 图像传感器、电流计和 1W 功率激光器的专用摄像模组,原型机如下图所示:

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

1:摄像头;2:电流计;3:Raspberry Pi 3;4:激光测距仪;5:激光器;6:电源;7:马达驱动器;8:电子信号处理板;9:装蚊子的盒子。

 

Ildar Rakhmatulin 表示,他的这个想法其实来自美国的一位天体物理学家——Lowell Wood,后者在上世纪八十年代就提出了利用激光进行蚊虫(如疟蚊)防治的方法,但是由于技术过于复杂,这一想法一直没有付诸实践。随着计算机视觉、机器学习等技术的发展,Ildar Rakhmatulin 似乎找到了新的方向。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

论文链接:https://www.preprints.org/manuscript/202101.0412/v1

遗憾的是,Ildar Rakhmatulin 没有拍摄使用激光烧死蚊子的视频,只上传了一段调整激光电流计(galvanometer adjusting)的视频,如下所示:

Rakhmatulin 表示,这个激光灭蚊系统的好处在于:1)它可以在户外使用,有风也没关系;2)为房子里的人或户外旅行者创建一个不受蚊子侵袭的安全区域;3)如果加以改进,覆盖范围可能很大;4)可以移动使用。这些优点对于某些蚊虫类传染病肆虐的地区可能非常有意义。

当然,这套机器不仅仅是用来打蚊子的。Ildar Rakhmatulin 在论文中表示,它可以作为无人机的一部分来使用,任何害虫都可以被纳入打击对象。为了证明这一说法,他还在论文中给出了具体的实现建议。

用激光打蚊子,怎么打?

 

这一激光灭蚊系统的工作流程如下图所示。首先,利用摄像头及系统内置的算法确定蚊子的位置并算出它的坐标,然后将这一坐标传递给电流计。在发射之前,电流计可以借助镜子来改变激光的方向,从而瞄准蚊子。在激光发出之后,如果蚊子被打中,系统将开始新一轮的工作,如果没有,系统将重新计算蚊子的坐标并进行再次打击。考虑到蚊子的运动轨迹比较多变,研究者还分析了影响蚊子飞行的各种因素(比如气味、风速等),并列出了一个预测蚊子轨迹的公式。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

这一过程看似简单,但实现起来颇有难度,尤其是蚊子这种小昆虫的有效检测和追踪。

在实时检测阶段,作者考虑过在树莓派上使用预训练的深度学习模型,但由于树莓派的内存和处理速度都非常有限,这一想法只能作罢。SqueezeNet 倒是可以将模型权重降至 5MB,但处理图像要花 1 秒的时间,R-CNN、Faster R-CNN、Yolo、 RetinaNet 也都存在类似的问题。因此,作者必须找到一种可以在树莓派上部署的方法。最后,他选择了 OpenCV 中的目标追踪函数。

与检测相比,目标追踪的速度要更快。下图 1 显示了几种不同的蚊子追踪方法(TrackerCSRT 函数的追踪效果比较出色)。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

几种方法在实验中的表现如下图所示:

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器
俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

从中可以看出,最好的方法追踪成功率也才达到 76%。不过,作者表示,这只是一个小小的尝试,主要就是为了证明用激光打蚊子的可行性。如果真要部署到无人机等设备上,整个系统从硬件到软件都得升级。

激光打蚊子,靠谱吗

 

正如 Ildar Rakhmatulin 所说,用激光打蚊子的想法并不是他首创的,几十年前就有人提了出来,而且提出的人也没有放弃。

这个人就是 Lowell Wood,他在 20 世纪 80 年曾协助设计过冷战时期星球大战的激光罩,保护美国免受苏联导弹袭击。后来,他加入了微软前工程师 Nathan Myhrvold 创立的 Intellectual Ventures 公司。Intellectual Ventures 是一家很有争议的公司,他们通过购买等手段储备了数万份专利,然后向使用这些专利的人收取费用,有时候还会打官司(有人称其为专利流氓)。

2010 年,Intellectual Ventures 推出了 Lowell Wood 参与设计的激光灭蚊机器——Photonic Fence,主要用途是杀死疟蚊,消除疟疾。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

这套机器利用红外线 LED 灯发射出的光线和反光板共同形成了灭蚊区域,并用数码相机中用到的电荷耦合器件进行监测。一旦监测到蚊子飞入该区域,激光炮就会向蚊子发射出不致命的检测激光,用来检测蚊子的大小以及振翅频率。设备中特制的软件可以根据检测激光收集到的信息对蚊子进行识别,最终判断出它的种类甚至是性别,因为不同种类、不同性别的蚊子,他们振翅频率都是有所不同的。软件一旦识别出攻击目标,就会进行安全检查,确保攻击目标前没有障碍物。安全检查完毕后,才会发射出攻击激光将蚊子击落。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

2010 年 2 月,Myhrvold 在 TED 会议上对这一装置进行了演示。同年,《时代周刊》将其评选为 2010 年最佳发明之一,同时上榜的还有苹果的 iPad。

无独有偶,国内一家创业公司几年前也进行过这方面的宣传,声称可以利用激光雷达技术定位蚊子并发射激光将其杀死。据报道,该灭蚊设备主要是利用了两种激光雷达技术的融合。其中在室内主要用的是基于三角测距原理开发的激光雷达来进行导航定位,而在室外则采用基于远距离探测的 TOF(时间飞行法)激光雷达。这款产品可以从复杂的环境背景下对微小的目标,如蚊子、苍蝇等进行探测、识别、动态跟踪、锁定然后进行持续打击消灭。为了避免对人眼造成伤害,该公司还表示会在设备上增加人脸识别装置。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

但遗憾的是,这么多年过去了,两款「激光蚊子炮」都没有成功走入大众视野。

十年间,有不少人陆陆续续去 Intellectual Ventures 的 YouTube 视频评论区追问最新进展,但都没有得到回应。

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器
俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

2017 年,美国媒体《Intelligencer》的记者曾探访过 Intellectual Ventures 的实验室,也见到了 Myhrvold。Myhrvold 表示,「很多人都会打量一下这项技术,」但没有人真正决定投资。毕竟,真正把这个东西做出来还是挺难的。研究人员花了数年时间才弄清楚如何持续追踪和识别一种特定类型的昆虫,然后安全有效地将其消灭。最重要的是,还没有人能将这套装置的价格降到普通人可以接受的程度,尤其是在那些需要它的疟蚊肆虐的地区。

「有种可能是卖给五角大楼,」Myhrvold 表示,「他们把人派到疟蚊肆虐的地域,而且他们已经不愿向所有人喷洒杀虫剂了。」

还有种可能是改变它的用途来提高商业价值,比如定向针对「葡萄根瘤蚜」,帮助葡萄酒庄园提高产量。

Myhrvold 还说,他想把这个东西安装到无人机上,用来杀死成群的蝗虫。

虽然商业化之路困难重重,但 Intellectual Ventures 似乎始终没有放弃对于这套系统的改进。去年 9 月份,研究团队在《Natrure》旗下的《Scientific Reports》期刊上发表了一篇论文,旨在探索一组合理的激光参数,探索目标死亡率、系统成本和安全性的最佳组合。

 

俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41598-020-71824-y

也许等个若干年,我们真的能等(活)到这套产品面世的一天:「二营长,把我的激光蚊子炮端上来……」

 

参考链接:

https://news.zol.com.cn/535/5351612.html

https://cn.technode.com/post/2016-08-30/leishen-ladar/

https://www.leiphone.com/news/201606/ySmxApHp3dDWtKoY.html

https://nymag.com/intelligencer/2017/07/laser-shooting-mosquito-death-machine-nathan-myhrvold.html

转载请注明:《俄罗斯博士用树莓派自制灭蚊武器