興坤 發(fā)自 凹非寺

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蜻蜓作為卓越的捕食者，能夠在50毫秒內(nèi)對(duì)獵物運(yùn)動(dòng)做出反應(yīng)。

如此快速的信息處理能力使捕獲成功率可達(dá)95%。

這項(xiàng)驚人的狩獵能力，如果應(yīng)用于算法中，可以使模型運(yùn)算變得更有效率，降低系統(tǒng)處理所需能耗，擴(kuò)大實(shí)用范圍。

人類(lèi)有望利用蜻蜓神經(jīng)系統(tǒng)的處理速度、簡(jiǎn)單性和反饋效率等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出執(zhí)行速度更快、消耗功率更低的計(jì)算機(jī)。

蜻蜓攔截系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

模仿蜻蜓狩獵模式，就要先摸清它的整個(gè)捕獵過(guò)程。

在捕獵中，蜻蜓具備高速計(jì)算的能力。

它能夠根據(jù)獵物的動(dòng)作迅速調(diào)整方向，通過(guò)判斷頭部與身體之間的角度，以此控制某一側(cè)翅膀扇動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如以下模型展示，通過(guò)判斷獵物（紅色星號(hào)）運(yùn)動(dòng)軌跡，改變頭部方向（藍(lán)色平面方向）以及頭身角度（藍(lán)色平面和黑色直線角度）。

另外，它還可以提前鎖定自身的動(dòng)作，判斷出方向的變化會(huì)給獵物的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)哪些影響。

這一系列處理過(guò)程需要感受器-傳入-中樞-傳出-效應(yīng)器整個(gè)反射弧的參與。其中每一個(gè)神經(jīng)元輸入信息的時(shí)間超過(guò)10毫秒，而蜻蜓完成這一套動(dòng)作僅需50毫秒。

也就是說(shuō)，考慮到眼睛處理視覺(jué)信息的10毫秒和肌肉運(yùn)動(dòng)發(fā)力的5毫秒時(shí)間，如果超過(guò)四層神經(jīng)元傳遞，整個(gè)反應(yīng)時(shí)間將大于50毫秒，而蜻蜓可以在四層以內(nèi)神經(jīng)元傳遞中完成信息反饋。

△神經(jīng)元信息傳遞概念圖

如此高效的信息傳遞處理速度，如果可以應(yīng)用到系統(tǒng)搭建中，將會(huì)大大降低對(duì)運(yùn)算設(shè)備的要求。

依照蜻蜓神經(jīng)系統(tǒng)建立起一個(gè)三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并用它來(lái)計(jì)算捕獵過(guò)程中的變化。

在美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中，科研人員通過(guò)研究蜻蜓捕獵，搭建了蜻蜓仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

首先，蜻蜓必須看到獵物才能進(jìn)行信息輸入，開(kāi)始處理計(jì)算。因此第一層設(shè)置了441（21^2）個(gè)神經(jīng)元代表眼睛部分的信息輸入。

每個(gè)神經(jīng)元代表特定視野區(qū)域，覆蓋全部視野范圍。隨著蜻蜓轉(zhuǎn)動(dòng)，獵物在視野中的位置會(huì)發(fā)生變化。

要得出蜻蜓轉(zhuǎn)動(dòng)角度，只需要使特定范圍神經(jīng)元與獵物圖像對(duì)齊。

這個(gè)過(guò)程就是捕獲獵物位置后，蜻蜓對(duì)獵物運(yùn)動(dòng)的信息輸入，轉(zhuǎn)化為所需轉(zhuǎn)動(dòng)方向的指令計(jì)算。

為了完成這項(xiàng)處理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第二層設(shè)置了194481（21^4）個(gè)神經(jīng)元，并預(yù)設(shè)了所有神經(jīng)元連接到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重。

其中權(quán)重的設(shè)置可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)不斷完善。

模擬蜻蜓做出轉(zhuǎn)變方向決策，只需要保持視線-獵物和固定參考方向之間角度恒定，即獵物圖像與視野中特定位置對(duì)齊。

最后的第三層輸出，就是通過(guò)以上處理得出肌肉動(dòng)作的變化，指揮運(yùn)動(dòng)方向。

不僅是指揮動(dòng)作，還要預(yù)測(cè)動(dòng)作對(duì)獵物圖像在視野位置的影響，并更新預(yù)測(cè)的位置，相較于外部環(huán)境，將視線保持在穩(wěn)定位置。

如下圖所示，在模擬的視野范圍內(nèi)，鎖定獵物圖像并將其保持在視野中心位置。

圖1代表蜻蜓看到獵物圖像的視野。

圖2指定了哪些眼睛神經(jīng)元應(yīng)該與獵物圖像對(duì)齊，即獵物應(yīng)該在視野哪個(gè)位置。

圖3代表完成輸出命令后看到的獵物圖像位置，維持在視野中心附近。

△藍(lán)色圖像代表獵物在視野中的位置

對(duì)這套三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，模擬蜻蜓和獵物以同樣的速度在三維空間移動(dòng)，蜻蜓（黑色軌跡）可以完成簡(jiǎn)單攔截獵物（紅色軌跡）的動(dòng)作，甚至是捕獲沿著彎曲或半隨機(jī)軌跡行進(jìn)的獵物。

△紅色代表獵物運(yùn)動(dòng)軌跡，黑色模擬蜻蜓運(yùn)動(dòng)軌跡。

驗(yàn)證并繼續(xù)探索蜻蜓大腦

那么這套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否將蜻蜓大腦的優(yōu)勢(shì)完全模擬了出來(lái)，是否真正掌握了高效捕獵的運(yùn)算處理方法？

這還需要在蜻蜓身上做出進(jìn)一步的驗(yàn)證。

在位于弗吉尼亞州的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所，Janelia研究院的科研人員開(kāi)發(fā)了蜻蜓微型背包，用于監(jiān)測(cè)蜻蜓飛行中的神經(jīng)系統(tǒng)電信號(hào)數(shù)據(jù)。

△蜻蜓微型背包，可用于搜集電信號(hào)數(shù)據(jù)

通過(guò)比較蜻蜓生物神經(jīng)元的活動(dòng)模式和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，就可以驗(yàn)證這一模型是否在進(jìn)行和蜻蜓大腦類(lèi)似的計(jì)算，這將有助于確定權(quán)重的設(shè)計(jì)。

研究蜻蜓大腦不僅僅可以用在捕獵算法方面，還可以應(yīng)用在自注意力模式，簡(jiǎn)單的注意力引導(dǎo)機(jī)制可能被用來(lái)屏蔽不相關(guān)的信息干擾。

另外，蜻蜓的視覺(jué)感知，還會(huì)影響到追蹤定位系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高速的幀率和較低的空間分辨率，可能對(duì)鎖定目標(biāo)更有效。

當(dāng)然，機(jī)器模型和蜻蜓大腦數(shù)據(jù)還是存在有差異。不過(guò)，研究人員認(rèn)為，研究模型與實(shí)際中蜻蜓大腦的這部分差異，可以為提速系統(tǒng)運(yùn)算提供線索。

其他昆蟲(chóng)仿生應(yīng)用

不僅僅蜻蜓可以提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路。

像遠(yuǎn)途遷移的黑脈金斑蝶、帝王蝶等，對(duì)搜集晝夜節(jié)律和環(huán)境變化信息，反饋到行進(jìn)方向上的決策，這一處理過(guò)程同樣值得探索。

而撒哈拉沙漠螞蟻，可以將視覺(jué)信息和內(nèi)部測(cè)量的距離相結(jié)合，在較遠(yuǎn)的距離計(jì)算直接歸巢的路線。

昆蟲(chóng)之間類(lèi)似的這種規(guī)劃能力，執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的神經(jīng)回路，可能應(yīng)用于低功率無(wú)人機(jī)上，用以自主擬定方向和路線。

從昆蟲(chóng)中獲得啟發(fā)，未來(lái)的計(jì)算機(jī)發(fā)展方向，將是擁有一群高度專(zhuān)業(yè)化且效率極高的微型處理器，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行調(diào)配部署，達(dá)到高效節(jié)能的處理效果。

參考鏈接：

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

— 完 —

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原標(biāo)題：《蜻蜓大腦算法速度超快，AI科學(xué)家：拿來(lái)吧你》

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