蜻蜓大脑算法速度超快，AI科学家：拿来吧你

兴坤 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI

蜻蜓作为卓越的捕食者，能够在50毫秒内对猎物运动做出反应。

如此快速的信息处理能力使捕获成功率可达95%。

这项惊人的狩猎能力，如果应用于算法中，可以使模型运算变得更有效率，降低系统处理所需能耗，扩大实用范围。

人类有望利用蜻蜓神经系统的处理速度、简单性和反馈效率等优势，设计出执行速度更快、消耗功率更低的计算机。

蜻蜓拦截系统神经网络

模仿蜻蜓狩猎模式，就要先摸清它的整个捕猎过程。

在捕猎中，蜻蜓具备高速计算的能力。

它能够根据猎物的动作迅速调整方向，通过判断头部与身体之间的角度，以此控制某一侧翅膀扇动速度来实现。

如以下模型展示，通过判断猎物（红色星号）运动轨迹，改变头部方向（蓝色平面方向）以及头身角度（蓝色平面和黑色直线角度）。

另外，它还可以提前锁定自身的动作，判断出方向的变化会给猎物的运动带来哪些影响。

这一系列处理过程需要感受器-传入-中枢-传出-效应器整个反射弧的参与。其中每一个神经元输入信息的时间超过10毫秒，而蜻蜓完成这一套动作仅需50毫秒。

也就是说，考虑到眼睛处理视觉信息的10毫秒和肌肉运动发力的5毫秒时间，如果超过四层神经元传递，整个反应时间将大于50毫秒，而蜻蜓可以在四层以内神经元传递中完成信息反馈。

△神经元信息传递概念图

如此高效的信息传递处理速度，如果可以应用到系统搭建中，将会大大降低对运算设备的要求。

依照蜻蜓神经系统建立起一个三层神经网络，并用它来计算捕猎过程中的变化。

在美国桑迪亚国家实验室中，科研人员通过研究蜻蜓捕猎，搭建了蜻蜓仿生神经网络。

首先，蜻蜓必须看到猎物才能进行信息输入，开始处理计算。因此第一层设置了441（21^2）个神经元代表眼睛部分的信息输入。

每个神经元代表特定视野区域，覆盖全部视野范围。随着蜻蜓转动，猎物在视野中的位置会发生变化。

要得出蜻蜓转动角度，只需要使特定范围神经元与猎物图像对齐。

这个过程就是捕获猎物位置后，蜻蜓对猎物运动的信息输入，转化为所需转动方向的指令计算。

为了完成这项处理，神经网络第二层设置了194481（21^4）个神经元，并预设了所有神经元连接到神经网络的权重。

其中权重的设置可以通过机器学习过程来不断完善。

模拟蜻蜓做出转变方向决策，只需要保持视线-猎物和固定参考方向之间角度恒定，即猎物图像与视野中特定位置对齐。

最后的第三层输出，就是通过以上处理得出肌肉动作的变化，指挥运动方向。

不仅是指挥动作，还要预测动作对猎物图像在视野位置的影响，并更新预测的位置，相较于外部环境，将视线保持在稳定位置。

如下图所示，在模拟的视野范围内，锁定猎物图像并将其保持在视野中心位置。

图1代表蜻蜓看到猎物图像的视野。

图2指定了哪些眼睛神经元应该与猎物图像对齐，即猎物应该在视野哪个位置。

图3代表完成输出命令后看到的猎物图像位置，维持在视野中心附近。

△蓝色图像代表猎物在视野中的位置

对这套三层神经网络进行测试，模拟蜻蜓和猎物以同样的速度在三维空间移动，蜻蜓（黑色轨迹）可以完成简单拦截猎物（红色轨迹）的动作，甚至是捕获沿着弯曲或半随机轨迹行进的猎物。

△红色代表猎物运动轨迹，黑色模拟蜻蜓运动轨迹。

验证并继续探索蜻蜓大脑

那么这套神经网络是否将蜻蜓大脑的优势完全模拟了出来，是否真正掌握了高效捕猎的运算处理方法？

这还需要在蜻蜓身上做出进一步的验证。

在位于弗吉尼亚州的霍华德·休斯医学研究所，Janelia研究院的科研人员开发了蜻蜓微型背包，用于监测蜻蜓飞行中的神经系统电信号数据。

△蜻蜓微型背包，可用于搜集电信号数据

通过比较蜻蜓生物神经元的活动模式和人工神经网络系统的数据，就可以验证这一模型是否在进行和蜻蜓大脑类似的计算，这将有助于确定权重的设计。

研究蜻蜓大脑不仅仅可以用在捕猎算法方面，还可以应用在自注意力模式，简单的注意力引导机制可能被用来屏蔽不相关的信息干扰。

另外，蜻蜓的视觉感知，还会影响到追踪定位系统的优化设计。高速的帧率和较低的空间分辨率，可能对锁定目标更有效。

当然，机器模型和蜻蜓大脑数据还是存在有差异。不过，研究人员认为，研究模型与实际中蜻蜓大脑的这部分差异，可以为提速系统运算提供线索。

其他昆虫仿生应用

不仅仅蜻蜓可以提供给神经网络设计思路。

像远途迁移的黑脉金斑蝶、帝王蝶等，对搜集昼夜节律和环境变化信息，反馈到行进方向上的决策，这一处理过程同样值得探索。

而撒哈拉沙漠蚂蚁，可以将视觉信息和内部测量的距离相结合，在较远的距离计算直接归巢的路线。

昆虫之间类似的这种规划能力，执行任务过程中的神经回路，可能应用于低功率无人机上，用以自主拟定方向和路线。

从昆虫中获得启发，未来的计算机发展方向，将是拥有一群高度专业化且效率极高的微型处理器，根据任务进行调配部署，达到高效节能的处理效果。

参考链接：

https://spectrum.ieee.org/fast-efficient-neural-networks-copy-dragonfly-brains

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原标题：《蜻蜓大脑算法速度超快，AI科学家：拿来吧你》

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