《2017年国务院新一代人工智能发展规划》明确指出“要牢牢把握人工智能发展的重大历史机遇,引领世界人工智能发展新潮流,围绕以硬件为基础,算法为核心,以提升人机交互、感知识别能力为重点,形成稳定成熟的技术体系”。对地磁、声波、光谱、电磁、震动等信息的精准定位技术是人机交互、感知识别技术的重要组成部分,在智能城市、智能工厂、智能家居等领域具有重要的应用价值,已经成为信息产业的商业制高点和技术制高点。其中,震动定位是最古老、最常用的定位方式,其通过检测目标运动时产生的震动物理场来实现对震源的被动定位,主要应用于地下矿井、周界安防、隧道、桥梁、公共场所等复杂环境的安全监控和故障诊断。然而,随着人工智能技术的不断发展,现存震动定位技术速度慢、精度低的技术瓶颈日益凸显。因此,探索新型震源精准定位技术成为人工智能领域发展亟待解决的技术难题。为解决传统定位技术所面临的挑战,师法自然,开展基于典型生物定位行为学特性的仿生研究,是快速获取创新方法、解决棘手技术问题的有效途径之一。蝎子是一种夜行节肢动物,视觉系统已高度退化,神经系统也远不及人类发达,但其为了满足生存、自卫、竞争和繁衍等各项需求,进化出对震动信息远超人类甚至精密仪器的精准、快速定位功能,能够在复杂环境中,通过感知地面传播的震动和空气气流的细微变化,在0.2ms的时间内,精准捕食定位低至10nm振幅的低频微振信号的猎物。本文以蝎子精准、快速捕食定位微猎物这一行为学特征为仿生模本,从生物定位机理、神经元编码模式、技术应用等方面开展仿生蝎子震源定位关键技术的原始创新研究。具体研究内容如下:1)选择彼得异蝎(Heterometrus petersii)作为生物研究对象,测量统计了其用于定位的8个震动感受器(Basitarsal compound slit sensilla,BCSS)的阵列组合结构。搭建了生物激励定位反应的行为学测试平台,在改变BCSS组合模式情况下对蝎子进行定位反应行为学实验,发现蝎子8只步足的BCSS在定位过程中都起作用,并且是8个BCSS相互协作完成定位;进一步结合生物神经系统的兴奋和抑制机制,推断蝎子的BCSS圆形感知阵列是利用神经元反向抑制机制实现震动精准定位的生物机理。2)基于BCSS的微观结构参数,构建了带有BCSS缝单元结构的可变形平面模型,量化分析BCSS包含的12条“C”形缝单元在震动载荷作用下的应力和形变微观响应,发现各条缝单元具有不同机械灵敏度和方向指向性。通过建立缝单元的结构参数与应力响应特征的回归模型,揭示了缝单元结构参数与动力学响应的内部联系。发现蝎子通过BCSS缝单元阵列的结构和排列方式,对外载应力进行集中和屏蔽,实现了对加载信号的幅值调制。进一步揭示了BCSS感知微结构利用生物结构加权滤波机制处理外载信号的生物机理。3)在蝎子捕食定位行为学特征研究的基础上,模仿蝎子8个BCSS的组合特征,研制了仿蝎子震源定位装置,并建立仿蝎子反向抑制机制的定位模型,对震动信号进行编码与解码,构筑从生物的精准定位行为到仿生定位方法之间的结构、功能、信息传递机制的相似映射,实现对震源的精确定位。对仿生震源定位装置及定位方法进行性能测试,平均估计误差和相对估计误差分别为3.64°±2.44°、-1.43°±4.14°,结果表明仿生震源定位装置能够有效、稳定地进行震源位置检测。4)改进了以蝎子神经系统信号处理模式为核心的震动信号编码与解码过程:模拟BCSS的感知特性将震动信号转换成神经脉冲序列,然后通过突触调节机制完成神经元模型的震源位置信息整合,最后通过群向量算法定位震源。将改进的仿蝎子震源定位方法嵌入到仿蝎子震源定位装置,进行室内环境中人体行动的轨迹跟踪,对不同人、不同行走模式的定位跟踪率达到75.52%,测试结果表明,所提仿蝎子震源定位方法对人行动具有良好的定位跟踪性能。未来,随着对蝎子捕食定位行为的感知特性、生物机理、数学模型、技术应用的深入研究,将进一步推动快速、高效、高精度的仿生定位器件和定位系统等相关工程研究的发展。