光的偏振的应用(生活中的偏振)

雷锋网消息，长期以来，昆虫凭借其非常迷你的神经结构和感知能力，达到了非常高的智能和能力，给人们留下了非常深刻的印象。昆虫必须非常聪明地进化，以适应各种具有挑战性的环境，沙漠蚂蚁就是一个很好的例子。

大多数蚂蚁依靠信息素追踪它们的气味来导航，但炎热的沙漠环境意味着信息素不能持续太久，而沙漠蚂蚁依靠计步、光流、地标和太阳来导航。这些技术非常适合用于探索太阳系的微型机器人，因为太阳系没有GPS导航，机器人的尺寸和能量无法支撑复杂的大型精密传感器。

在今天的《科学机器人》杂志上，研究人员讲述了如何利用来自沙漠蚂蚁的灵感，为机器人打造导航工具，让它们在四处漫游后仍能找到回家的路，而无需GPS、SLAM等复杂系统。

我们先来看看沙漠蚂蚁是如何导航的。一般来说，他们使用的系统叫做“路径整合”，本质上和我们所说的“航位推算”是一样的。通过跟踪蚂蚁在一段时间内行进的距离和方向，它们可以计算出返回起点的最直接路径。如果一只蚂蚁向北移动一段距离，然后向东移动两次，它就可以知道它最终会通过向南和向西移动来接近它的起始位置，一旦接近，它就可以直观地识别地标以准确地返回到它的巢穴。

沙漠蚂蚁非常擅长这个。如下图所示，经过约20分钟的行程，这只不到1cm长的蚂蚁只需6分钟就能大致画出一条直线，直接回到600m外的巢穴。

为了实现路径整合，蚂蚁必须跟踪距离和方向。距离是其中比较容易的一个，因为蚂蚁可以使用步数和光流的组合，但是方向是一个棘手的问题。众所周知，蚂蚁和其他昆虫可以利用太阳导航，跟踪其在天空中的位置空，并随时间修正地球自转的影响以及随之而来的太阳视运动。这不仅在晴天有效，蚂蚁的眼睛有对偏振光敏感的光感受器，即使在阴天也能指示太阳的方向。此外，蚂蚁对紫外线也很敏感，能透过云层和树叶看到阳光。

AntBot试图复制沙漠蚂蚁的传感系统，这是一个2.3公斤的六足机器人。它的具体物理参数对这项研究并不重要。重要的是AntBot的传感器，其中包括一个光流传感器和一个“天体罗盘”。后者由一对带有旋转线性偏振器的紫外光传感器组成。Compass分析来自这两个传感器的数据之间的对数比，以确定入射光的偏振角。它利用偏振角来确定太阳在哪里，所以它指向哪个方向。AntBot的计算非常准确。空微阴时中值误差仅为0.02，多云时为0.59。

就像沙漠蚂蚁一样，通过结合光流距离跟踪、步数计算和天体导航，AntBot能够在大约14米的距离内随机行走，然后成功返回起点。另外，AntBot需要做一些工作来证明它和蚂蚁一样有天赋。

研究人员指出，沙漠蚂蚁只有1厘米长，可以测量732.6米的轨迹，目前机器人的直径为45厘米，实验中的行走速度约为每秒10厘米。如果以蚂蚁的导航性能来衡量，AntBot要覆盖32km以上才算合格。虽然AntBot可以以每秒90厘米的速度行走，但要实现超大规模的导航，就必须改进六足机器人的执行器和电源。这些改进将使其能够在更自然的环境中进行测试，如崎岖环境中的崎岖地形。

有证据表明，人类可能已经使用类似的技术导航了几个世纪，维京人(以及后来可能从维京人那里获得这一思想的海洋文化)可能能够依靠偏振光，并使用一种具有双折射性的矿物“日光石”来寻找阴天太阳的位置。双折射矿物是偏振器。当光线进入它们时，它会分成两股光线。根据光源相对于宝石的位置，它会通过不同的路径穿过宝石。通过观察天空中的石头空，可以利用双折射在几度范围内确定太阳的位置，即使是完全多云或者太阳在地平线以下。你只需要一点阳光，太阳石就能起作用。

最常见的双折射矿物是方解石，维京人可能接触过它。一些维京传说直接引用了日晷，模拟显示日晷的使用可能会对维京人在开阔的海洋上长时间航行的能力产生巨大的影响。在海盗船和墓地中没有发现多少方解石。由于矿物质的流失，方解石相当脆弱，无法在水下或地下长期保存。如果他们从来没有使用过这样的东西来导航，我们只能说他们真的应该试一试，因为蚂蚁和机器人都得到了不错的结果。