如何找到在电梯里面放屁的人

如何找到在电梯里面放屁的人

2016年菠萝物理学奖授予天津大学检测技术和自动化设备专业李吉功，以表彰他提出机器人自动跟踪气味来源的新方法。不要假装你对这个问题不好奇。让我们看看如何回答严肃和科学的问题。

如果我们拟人化几种外部感觉，视觉和听觉可能是“傻白甜”同样的存在，简单又容易欺骗。但嗅觉更机智。——如果你在房间里开了一碗酒，你永远不会把它闻成一碗臭豆腐。

这种精确辨认气味的能力是哪儿来的？这自然要归功于我们的嗅觉系统。虽然在人类中，超过一半的编码嗅觉受体基因已经在漫长的进化过程中工作，但嗅觉系统表明他们的情绪非常稳定，发挥得很好。根据2014年《科学》杂志上的一项研究，人类可以分辨出1万亿种气味。即使我们闭上眼睛，我们也可以很容易地判断哪个方向有什么东西烧焦了女朋友今天是否喷香水，男朋友几天没换袜子……

即使人类的嗅觉系统相对机智，也只是人类外部感觉横向比较的结果。纵向比较试试？分分钟被血虐。在爆炸物和毒品检测等专业任务中，人类的好朋友显然比人类好得多。嗅探犬、嗅探鼠甚至嗅探象都能凭借发达的嗅觉取得巨大的成就。另一方面，人类，更不用说毒品探测了，房间里一群人围坐在一起谈笑风生，转眼间微风徐来，大家屏住呼吸，场面突然变得很尴尬。

你的嗅觉很容易意识到，有一种来自肠道的气体在错误的时间被释放，你的嗅觉可能会模糊地感觉到肠道的气体可能来自哪个方向，但你能定位罪魁祸首吗？很难说中国有句老话（不）说得很好，沉闷的屁，如果没有巨大的声音，我们的嗅觉系统想要定位气味的来源，就不那么简单了。

你可能会说，没关系。反正我们人类不多，但是好朋友很多。训练动物动物执行任务。然而，训练这些动物执行任务需要很长时间，在连续工作中不可避免地会疲劳。有没有办法避免这样的问题？自20世纪90年代以来，科学家们一直试图为机器人添加机器人“鼻子”，让不知疲倦的移动机器人代替人类或其他动物搜索特定气味的来源。

他们做到了吗？“羽毛”气味分布相同

无论是酒、汗还是屁，气味传播的本质都是一样的，无非是空气中分子的传播。气味分子在空气中的分布就好比寻宝游戏中的方向提示，能够帮助玩家向宝箱所在的位置走去。在空气中，气味分子从气味源中释放出来，恢复自由。当风吹走它们时，它们会形成与羽毛相同的分布状态，并被形象（和艺术）称为“烟羽”（Plume）。

移动机器人说，我们的目标不是没有蛀牙，而是找到目标气味源的位置！要想通过搜索行为实现这一目标，就必须找到并跟踪烟羽的气味。然而室外风向变幻莫测，要靠鼻子追寻气味的烟羽那是相当的艰难。移动速度慢的机器人可能无法与烟羽保持联系——一旦气味线索丢失，就更难找到目标。

如果这些问题得不到解决，机器人也无能为力。天津大学电气与自动化工程学院的孟庆浩教授和李吉功博士出现在五彩缤纷的祥云中，为气味源定位机器人提供了三个大动作。

烟羽不来，我走过去

在实验中，李吉功在天大校园地板上放了一个家用加湿器，让它慢慢喷出酒精。李吉功的机器人应该用自己的气体传感器探索酒精气味源的位置。（机器人：宝宝很苦，你不让我喝酒，为什么要取笑我？

正如前面提到的，气味源就像鸟羽的羽根。要追溯到羽根，你必须先找到羽毛。人们的机器人有自己的脚（轮子），这仍然是一些主观主动性，风吹得如此不守规矩，劳动干部等待气味吹来？合适吗？你得等哪一年！

主动出击不是问题，路线是问题！如果你想找到气味源，你应该怎么做？李吉功博士开发了一种“流向Z形烟羽”，机器人可以在搜索区域内以折线路径移动，并根据当前气流流向（即风向）和需要搜索的区域面积来判断是否偏转搜索路线。

虽然这种“踱遍全场”搜索方法看起来有点麻烦，但这对移动机器人来说是一种相对有效的方法。只要你在某个位置遇到烟羽，机器人就能扫除无法找到的抑郁，立即开始“顺藤摸瓜”寻找源头。

鼻子迟钝，怎么闻？

在气流瞬息万变的室外环境中，没有福尔摩斯般的机智和推理，就不可能跟踪辛苦遇到的烟羽。研究人员经常使用算法将特定位置的气味浓度转化为两种判断：“哈哈哈，我测到了气味！”和“我什么都没闻到……”。两者的分野往往被定为固定气味浓度阈值。

然而，就像你失恋后不那么容易调整情绪重新开始一样，常用的气体传感器（金属氧化物半导体器件）需要很长时间才能在感知气味后恢复到0浓度，通常需要十秒甚至几十秒。一旦气味浓度阈值固定，机器人就会感到困惑。比如这一秒的气味浓度比以前小了，说明机器人正在脱离烟羽，但是如果浓度还是高于阈值，机器人会觉得，嗯，我还是对的。事实上，它可能会失去与烟羽的接触，错过跟踪气味源的机会。

必须避免这种情况，该怎么办？我们不确定绝对值。我们只需要测量相对值！李吉功让机器人将此时此刻测得的气味浓度与前段时间测得的气味浓度的滑动平均值进行比较——只有当浓度相对上升时，这一刻才会确定“测到气味”。借助风速/风向仪，这种算法设计可以帮助机器人尽快找到线索，跟踪气味源。

移动机器人可以定位气味源（云台摄像头在李吉功的研究中没有使用，机器人只能依靠自己“鼻子”找到喷出酒精的气味源。 图片来源：李吉功

顺藤摸瓜，找到气味源头

一旦测量气味，机器人将开始根据最近的风速/风向信息计算气味来自哪里，判断气味源最可能存在的区域，规划搜索路径，沿路开始，并根据当前的风向不断调整搜索路径，直到找到目标——或者找不到。这就是所谓的“顺藤摸瓜”跟踪烟羽。

当整个搜索路径都被检查过但没有气味时，机器人会意识到自己“跟丢”了烟羽。幸运的是，机器人更自由和容易，他们不会像丢失玩具的孩子一样急于流泪，而是保持情绪稳定，立即进入“烟羽再发现”模式，通过局部搜索，最终再次发现烟羽，回到跟踪烟羽的正轨。当然，如果上述情况不幸发生，加湿器中的乙醇可能会少得多，直到最终找到气味源。

不仅是找酒

三个大招放出来了，李吉功为移动机器人建立的气味源搜索方案也完工了。接下来的环节取决于机器人的竞争。他和同事们把机器人搬到天津大学的足球场上，一次又一次地开始测试。因为在户外“看天吃饭”，有时候适合实验的机会不多，一旦有了好机会，机器人的优化就会继续。即使是炎热的夏天，研究人员也会从早上八九点到下午四五点。但令人欣慰的是，大量的模拟和物理实验证实，机器人可以适应室外气流的快速变化，可靠地发现和跟踪烟羽，准确估计气味源的位置，最终确认气味源。

虽然在这些实验中，机器人只闻普通乙醇（幸运的是，机器人不会喝醉），但它使用的搜索方法将应用于更实用的应用价值领域。在越来越多研究人员的共同努力下，气味源定位机器人将在取代专业人员或动物方面发挥更大的作用，无论是对日常生活中火灾的早期监测、有毒/有害气体泄漏点的发现，还是对爆炸物的反恐侦察和深海喷发性矿物的勘探。当然，如果你想在聚会上找到排毒气的家伙……也不是不可能！