機器之心報道
編輯：張倩
一位俄羅斯博士用樹莓派做了個「激光蚊子炮」，真的能打到嗎？
蚊子這種體積小小的生物極其令人厭惡，雖然人類發明了電蚊香、滅蚊燈等各式各樣的滅蚊工具，但蚊子對人類的困擾始終就在那里——「揮之不去」。
或許是討厭的蚊子惹惱了「硬核的」科研工作者，他們開始了自己獨特的滅蚊行動。近日，俄羅斯南烏拉爾國立大學的博士 Ildar Rakhmatulin 就創建了一個樹莓派機器，利用計算機視覺和機器學習技術自動檢測蚊子，并使用激光燒死它們。
具體而言，該機器基于 Raspberry Pi 3 Model B + 構建，并安裝了一個配有索尼 IMX219 圖像傳感器、電流計和 1W 功率激光器的專用攝像模組，原型機如下圖所示：
1：攝像頭；2：電流計；3：Raspberry Pi 3；4：激光測距儀；5：激光器；6：電源；7：馬達驅動器；8：電子信號處理板；9：裝蚊子的盒子。
Ildar Rakhmatulin 表示，他的這個想法其實來自美國的一位天體物理學家——Lowell Wood，后者在上世紀八十年代就提出了利用激光進行蚊蟲（如瘧蚊）防治的方法，但是由于技術過于復雜，這一想法一直沒有付諸實踐。隨著計算機視覺、機器學習等技術的發展，Ildar Rakhmatulin 似乎找到了新的方向。
論文鏈接：https://www.preprints.org/manuscript/202101.0412/v1
遺憾的是，Ildar Rakhmatulin 沒有拍攝使用激光燒死蚊子的視頻，只上傳了一段調整激光電流計（galvanometer adjusting）的視頻，如下所示：
Rakhmatulin 表示，這個激光滅蚊系統的好處在于：1）它可以在戶外使用，有風也沒關系；2）為房子里的人或戶外旅行者創建一個不受蚊子侵襲的安全區域；3）如果加以改進，覆蓋范圍可能很大；4）可以移動使用。這些優點對于某些蚊蟲類傳染病肆虐的地區可能非常有意義。
當然，這套機器不僅僅是用來打蚊子的。Ildar Rakhmatulin 在論文中表示，它可以作為無人機的一部分來使用，任何害蟲都可以被納入打擊對象。為了證明這一說法，他還在論文中給出了具體的實現建議。
用激光打蚊子，怎么打？
這一激光滅蚊系統的工作流程如下圖所示。首先，利用攝像頭及系統內置的算法確定蚊子的位置并算出它的坐標，然后將這一坐標傳遞給電流計。在發射之前，電流計可以借助鏡子來改變激光的方向，從而瞄準蚊子。在激光發出之后，如果蚊子被打中，系統將開始新一輪的工作，如果沒有，系統將重新計算蚊子的坐標并進行再次打擊?？紤]到蚊子的運動軌跡比較多變，研究者還分析了影響蚊子飛行的各種因素（比如氣味、風速等），并列出了一個預測蚊子軌跡的公式。
這一過程看似簡單，但實現起來頗有難度，尤其是蚊子這種小昆蟲的有效檢測和追蹤。
在實時檢測階段，作者考慮過在樹莓派上使用預訓練的深度學習模型，但由于樹莓派的內存和處理速度都非常有限，這一想法只能作罷。SqueezeNet 倒是可以將模型權重降至 5MB，但處理圖像要花 1 秒的時間，R-CNN、Faster R-CNN、Yolo、 RetinaNet 也都存在類似的問題。因此，作者必須找到一種可以在樹莓派上部署的方法。最后，他選擇了 OpenCV 中的目標追蹤函數。
與檢測相比，目標追蹤的速度要更快。下圖 1 顯示了幾種不同的蚊子追蹤方法（TrackerCSRT 函數的追蹤效果比較出色）。
幾種方法在實驗中的表現如下圖所示：
從中可以看出，最好的方法追蹤成功率也才達到 76%。不過，作者表示，這只是一個小小的嘗試，主要就是為了證明用激光打蚊子的可行性。如果真要部署到無人機等設備上，整個系統從硬件到軟件都得升級。
激光打蚊子，靠譜嗎
正如 Ildar Rakhmatulin 所說，用激光打蚊子的想法并不是他首創的，幾十年前就有人提了出來，而且提出的人也沒有放棄。
這個人就是 Lowell Wood，他在 20 世紀 80 年曾協助設計過冷戰時期星球大戰的激光罩，保護美國免受蘇聯導彈襲擊。后來，他加入了微軟前工程師 Nathan Myhrvold 創立的 Intellectual Ventures 公司。Intellectual Ventures 是一家很有爭議的公司，他們通過購買等手段儲備了數萬份專利，然后向使用這些專利的人收取費用，有時候還會打官司（有人稱其為專利流氓）。
2010 年，Intellectual Ventures 推出了 Lowell Wood 參與設計的激光滅蚊機器——Photonic Fence，主要用途是殺死瘧蚊，消除瘧疾。
這套機器利用紅外線 LED 燈發射出的光線和反光板共同形成了滅蚊區域，并用數碼相機中用到的電荷耦合器件進行監測。一旦監測到蚊子飛入該區域，激光炮就會向蚊子發射出不致命的檢測激光，用來檢測蚊子的大小以及振翅頻率。設備中特制的軟件可以根據檢測激光收集到的信息對蚊子進行識別，最終判斷出它的種類甚至是性別，因為不同種類、不同性別的蚊子，他們振翅頻率都是有所不同的。軟件一旦識別出攻擊目標，就會進行安全檢查，確保攻擊目標前沒有障礙物。安全檢查完畢后，才會發射出攻擊激光將蚊子擊落。
2010 年 2 月，Myhrvold 在 TED 會議上對這一裝置進行了演示。同年，《時代周刊》將其評選為 2010 年最佳發明之一，同時上榜的還有蘋果的 iPad。
無獨有偶，國內一家創業公司幾年前也進行過這方面的宣傳，聲稱可以利用激光雷達技術定位蚊子并發射激光將其殺死。據報道，該滅蚊設備主要是利用了兩種激光雷達技術的融合。其中在室內主要用的是基于三角測距原理開發的激光雷達來進行導航定位，而在室外則采用基于遠距離探測的 TOF（時間飛行法）激光雷達。這款產品可以從復雜的環境背景下對微小的目標，如蚊子、蒼蠅等進行探測、識別、動態跟蹤、鎖定然后進行持續打擊消滅。為了避免對人眼造成傷害，該公司還表示會在設備上增加人臉識別裝置。
但遺憾的是，這么多年過去了，兩款「激光蚊子炮」都沒有成功走入大眾視野。
十年間，有不少人陸陸續續去 Intellectual Ventures 的 YouTube 視頻評論區追問最新進展，但都沒有得到回應。
2017 年，美國媒體《Intelligencer》的記者曾探訪過 Intellectual Ventures 的實驗室，也見到了 Myhrvold。Myhrvold 表示，「很多人都會打量一下這項技術，」但沒有人真正決定投資。畢竟，真正把這個東西做出來還是挺難的。研究人員花了數年時間才弄清楚如何持續追蹤和識別一種特定類型的昆蟲，然后安全有效地將其消滅。最重要的是，還沒有人能將這套裝置的價格降到普通人可以接受的程度，尤其是在那些需要它的瘧蚊肆虐的地區。
