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清大研究團隊用果蠅的仿生物視覺神經AI晶片 讓無人機續航!


2020-01-31 15:24

清華大學教授鄭桂忠(右)和羅中泉(左)誇域合作,利用果蠅的仿視覺神經研發AI智慧晶片,可讓無人機續航與續電,且能 進行高效率的演算。(照片由清大提供)

[記者洪美秀/新竹報導]清華大學鄭桂忠、羅中泉等電機、生科教授組成跨領域團隊,利用果蠅,研發仿生物視覺神經的AI晶片,讓無人機以超省電狀態自動閃避障礙物飛行,不僅讓無人機以省電方式續電,未來還可廣泛應用在無人車、智慧眼鏡、機器手臂等領域。

 清大團隊指出,無人裝置過去多利用發射並接收反射的電磁波、紅外線等來避開障礙物,卻很耗電,因此科學家想到用光學鏡頭來拍攝並分析影像來避障,但需要處理的影像資訊量太大,速率難以提升。

 專研仿神經系統的清華大學電機系教授鄭桂忠認為,要突破目前AI人工智慧發展的限制,就要向生物界找靈感,於是找研究果蠅大腦的系統神經科學研究所教授羅中泉,利用果蠅的視神經系統,研發出仿昆蟲視覺的省電、高效率AI晶片。

 而且要讓無人機學會像果蠅一樣避障飛行,就要解決電腦負荷資訊量太龐大問題。動態視覺每秒約有30幀畫面,如看到的每幀畫面都要分析處理,不僅沒效率,可能幾分鐘就沒電了。鄭桂忠說,現在的相機、手機鏡頭動輒都是上千萬像素,但果蠅的眼睛大約只有8百像素,牠的大腦在處理收到的輪廓、對比等視覺訊號時,會自動過濾掉不重要的資訊。

 因此研究團隊把果蠅的這項「注意力機制」應用在AI晶片上,運用手勢來操作無人機飛行。鄭桂忠把手掌張開,比出5的手勢,無人機即向前飛,比出2的手勢,無人機就會停下來,「電腦只要識別手指邊緣的輪廓,而不需要處理整隻手的顏色指紋等細節,就可節省大量的運算資源。」

 羅中泉說,果蠅如何偵測「光流」的秘密,「光流」就是生物移動時周遭景物在視野中所留下的相對運動軌跡,大腦可藉由分析光流來了解周遭物體的距離;應用在無人機上,就能在飛行時避開障礙物。

 羅中泉指出,仿果蠅視神經偵測「光流」所開發出的AI網路只要用數十個神經元,就可取代需要大量CPU運算的傳統數學演算法,達到高效避障;且只需要1微瓦的電量就能辦到,相當於省下千倍的電量。

清華大學研究團隊師法果蠅的視覺神經運動情況,以仿生視覺神經做為AI智慧晶片的光流,來提高效率和續電力。(照片由清大提供)

 此外,研究團隊在減少AI晶片的功耗上還有1項重大突破,就是達到「記憶體內計算」。鄭桂忠指出,無論電腦、手機都需要將資料從記憶體搬移到CPU中央處理器計算,再把運算結果搬回到記憶體儲存,人工智慧深度學習計算高達9成的功耗與時間都浪費在資料搬移,而仿神經元突觸的AI晶片,可以在記憶體內直接進行計算,效率也大為提升。

 清華大學這項「嵌入式仿神經人工智慧晶片團隊」(ENIAC)成立於2017年,成員包括跨電機、生科領域的7位清華教授,電機系教授鄭桂忠開發仿神經系統、謝志成研發智慧鏡頭、陳新研發仿生系統、呂仁碩負責晶片架構、孫民負責模型設計、張孟凡研發記憶體電路,系神所教授羅中泉則專研神經模型。

 經緯航太研發長詹英傑表示,清華仿果蠅視覺神經AI晶片的想法十分創新,因運算速度更快,未來將能幫助無人機更即時處理影像資訊。他表示,經緯航太會將清華仿果蠅視覺神經AI晶片應用在新南向智慧農業計畫,以省電高效率的無人機辨識及掌握農作物生長狀況。

 目前這項研究也在《自然》期刊的子刊《自然電子學》(Nature Electronics)、IEEE固態電路期刊(Journal of Solid-State Circuits)及國際固態電路會議(ISSCC) 發表7篇論文。

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