對(duì)頭頂上樹(shù)冠的天然理解有助于我們判斷路徑通向何方。樹(shù)枝的突然斷裂或苔蘚的柔軟墊層告訴我們腳下是否穩(wěn)定。樹(shù)木倒下的雷鳴聲或強(qiáng)風(fēng)中搖曳的樹(shù)枝讓我們知道附近可能存在的危險(xiǎn)。

與此相比，機(jī)器人長(zhǎng)期以來(lái)一直依賴視覺(jué)信息，如攝像頭或激光雷達(dá)來(lái)移動(dòng)。在好萊塢之外，多感官導(dǎo)航對(duì)機(jī)器來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。森林中密集的灌木叢、倒下的樹(shù)干和不斷變化的 terrain，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)是一個(gè)充滿不確定性的迷宮。

現(xiàn)在，杜克大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為 WildFusion 的新型框架，該框架融合了視覺(jué)、振動(dòng)和觸覺(jué)，使機(jī)器人能夠像人類一樣“感知”復(fù)雜的戶外環(huán)境。這項(xiàng)工作最近被 IEEE 國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議（ICRA 2025）接受，該會(huì)議將于 2025 年 5 月 19 日至 23 日在喬治亞州亞特蘭大舉行。

"WildFusion 為機(jī)器人導(dǎo)航和 3D 地圖繪制開(kāi)辟了新篇章，”杜克大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)、電氣與計(jì)算機(jī)工程以及計(jì)算機(jī)科學(xué)系的迪克森家庭助理教授陳 Boyuan 表示?！八鼛椭鷻C(jī)器人在森林、災(zāi)害區(qū)域和越野等非結(jié)構(gòu)化、不可預(yù)測(cè)的環(huán)境中更自信地運(yùn)行。”

"傳統(tǒng)機(jī)器人主要依賴視覺(jué)或激光雷達(dá)，但在沒(méi)有清晰路徑或可預(yù)測(cè)地標(biāo)的情況下，它們往往會(huì)失效，" 主要學(xué)生作者、陳實(shí)驗(yàn)室二年級(jí)博士生劉燕輝補(bǔ)充道。 "即使先進(jìn)的 3D 地圖構(gòu)建方法在傳感器數(shù)據(jù)稀疏、嘈雜或不完整時(shí)也難以重建連續(xù)地圖，這在非結(jié)構(gòu)化戶外環(huán)境中是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。這正是 WildFusion 被設(shè)計(jì)用來(lái)解決的挑戰(zhàn)。"

WildFusion， 基于四足機(jī)器人，集成了多種傳感模態(tài)，包括 RGB 攝像頭、激光雷達(dá)、慣性傳感器，以及值得注意的是接觸式麥克風(fēng)和觸覺(jué)傳感器。與傳統(tǒng)方法類似，攝像頭和激光雷達(dá)捕捉環(huán)境的幾何形狀、顏色、距離和其他視覺(jué)細(xì)節(jié)。使 WildFusion 與眾不同的是它對(duì)聲學(xué)振動(dòng)和觸覺(jué)的使用。

當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，接觸式麥克風(fēng)記錄下每一步產(chǎn)生的獨(dú)特振動(dòng)，捕捉細(xì)微差別，例如干葉的嘎吱聲與泥地的軟泥聲。與此同時(shí)，觸覺(jué)傳感器測(cè)量每只腳施加的力度，幫助機(jī)器人實(shí)時(shí)感知穩(wěn)定性或滑膩感。這些額外的感官還得到了慣性傳感器的補(bǔ)充，該傳感器收集加速度數(shù)據(jù)，以評(píng)估機(jī)器人在穿越不平整地面時(shí)搖晃、俯仰或滾動(dòng)的程度。

每種類型的傳感數(shù)據(jù)隨后通過(guò)專用編碼器進(jìn)行處理，并融合成一個(gè)豐富表示。WildFusion 的核心是一個(gè)基于隱式神經(jīng)表示概念的深度學(xué)習(xí)模型。與將環(huán)境視為離散點(diǎn)集合的傳統(tǒng)方法不同，這種方法連續(xù)地建模復(fù)雜表面和特征，使機(jī)器人能夠在視覺(jué)受阻或模糊時(shí)，就落腳點(diǎn)做出更智能、更直觀的決策。

"把它想象成解一個(gè)拼圖，有些拼圖塊缺失，但你仍然能直覺(jué)地想象出完整的畫(huà)面，"陳解釋道。"WildFusion"的多模態(tài)方法讓機(jī)器人在傳感器數(shù)據(jù)稀疏或嘈雜時(shí)能夠"填補(bǔ)空白"，就像人類所做的那樣。"

WildFusion 在北卡羅來(lái)納州的恩河州立公園進(jìn)行了測(cè)試，成功幫助機(jī)器人穿越了茂密的森林、草地和礫石路。"看到機(jī)器人自信地穿越地形，這讓我感到非常欣慰，"劉分享道。"這些實(shí)地測(cè)試證明了 WildFusion 在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可通行性方面的卓越能力，顯著提高了機(jī)器人在復(fù)雜地形中安全路徑?jīng)Q策的能力。"

展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)整合額外的傳感器（如熱能或濕度探測(cè)器）來(lái)擴(kuò)展該系統(tǒng)，以進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)器人理解和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。憑借其靈活的模塊化設(shè)計(jì)，WildFusion 在森林小徑之外提供了廣泛的應(yīng)用潛力，包括在不穩(wěn)定地形中的災(zāi)害響應(yīng)、偏遠(yuǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的檢查以及自主探索。

"當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)不僅能在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)良好，而且能在現(xiàn)實(shí)世界中可靠運(yùn)行的系統(tǒng)，"陳先生說(shuō)。"這意味著即使當(dāng)世界變得混亂時(shí)，機(jī)器人也能適應(yīng)、做出決策并繼續(xù)前進(jìn)。