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无人机这(zhè)些技术都来自于昆虫!

 

生(shēng)物学(xué)上有一种(zhǒng)观点认为,单个的蚂蚁其实是一个(gè)个器官,成群结队的时候才是一(yī)只完(wán)整的生(shēng)物。用这种想法来看(kàn)待目(mù)前商用无(wú)人机的主要限制——有限的负载能力(lì),催生了一种新的、依靠成群出动来完成任务(wù)的无人(rén)机形态。

这种无人(rén)机被设计(jì)得更(gèng)加势单力薄,因此必(bì)须完全依赖集体(tǐ)成(chéng)为有(yǒu)用(yòng)的个体,同时也更灵活、可用性更强。

这种(zhǒng)无人(rén)机的一个应用目(mù)标是,把人(rén)从重(chóng)复性的观察活动中解脱出来,同时拓展他们的观测范围。

举个例(lì)子,像是监控非法狩猎和伐木的情况,需要从较大的视角上长期频繁观察。这项任务非常适合能够在(zài)树林中穿梭的(de)小型无(wú)人(rén)机,如果采用了集体合作的方式,就能解决负(fù)载(zǎi)能力有限的(de)问题(tí)。比如,集体合作时可以让一些无人机装载(zǎi)小(xiǎo)型(xíng)摄(shè)像设备,另一些装载GPS,另一些携带(dài)二氧化碳探测仪等传感器(qì),它们组(zǔ)成(chéng)的集体则(zé)用于发(fā)现潜在的人类活动迹象(xiàng)。

它没准(zhǔn)会改变(biàn)日后无人机应(yīng)用的思(sī)路。而这一切都是从(cóng)社群昆虫身上得到(dào)的启发。

从蚂蚁身上学习(xí)协(xié)作策略(luè)

蚂蚁社群的一个重要特点是,它们(men)特(tè)别缺乏自我的(de)概(gài)念,专注于做对群体最有利的事(shì),因此分工协作的模(mó)型(xíng)干扰(rǎo)因素更少(shǎo)。另外它们在(zài)地上爬(pá)动,方便观察,这让蚂蚁兵团成(chéng)为无(wú)人机协(xié)作的模仿原型之一。

比(bǐ)如,PrattVijay在合作(zuò)的项目就是(shì)要了(le)解这些蚂蚁(yǐ)在(zài)合作中如何决定谁(shuí)朝哪(nǎ)个方向用力(lì)。Stephen Pratt是来(lái)自亚利桑那大学生命科学学院的助理(lǐ)教授,运营着Pratt实验室研究(jiū)蚂蚁活动;Vijay Kumar则是宾(bīn)夕(xī)法尼亚大学的机械工程和(hé)应用(yòng)力(lì)学学院的教授。他也是正在设计社群协作无人机(jī)的团队负(fù)责人,在GRASP(通用机器人,自动化,传(chuán)感(gǎn)和感应)实验室进行(háng)工作(zuò)。

PrattVijay设计了一个(gè)四只脚(jiǎo)装有传感(gǎn)器的轻(qīng)装置,引诱蚂(mǎ)蚁来运输它,借机观察它们如何当即判断用力(lì)的方向,并诱使它们表现出各自在群体中的角色。

基本上,根据他们的研究结(jié)果,蚂蚁们是(shì)通过不断地试(shì)错找到中(zhōng)间的平(píng)衡点。在协作过(guò)程中,产生反作用(yòng)的一方会迅速调(diào)整,Vijay说“就像(xiàng)几个蒙着眼(yǎn)睛的人搬动(dòng)一张桌子(zǐ)”。

目前,Vijay已经可以把这种即(jí)时学习的策略用在陆地(dì)使(shǐ)用的机器人身上,最终他(tā)希望(wàng)能(néng)够对飞行机器人起作用。

从甲壳虫身上学习飞行技巧

除了运输(shū)策(cè)略以外(wài),飞行的技巧(qiǎo)也是无人(rén)机从昆虫身上学(xué)习一(yī)项(xiàng)内容。

加州大学伯克利分校的Michel Maharbiz认(rèn)为,研究飞行就要让昆虫(chóng)在飞行状态(tài)下收集数据。他在甲壳虫背上(shàng)放了(le)微小的芯片,把电极插入(rù)大脑(nǎo)和肌肉中(zhōng)。通过芯片上的无线(xiàn)设备(bèi)接受信号,干扰甲壳虫飞行,观察它怎样做出反应、保(bǎo)持飞(fēi)行姿态(tài)。

科(kē)学(xué)家们想要从昆虫的活动(dòng)中寻找启发,就像(xiàng)过去怀(huái)特兄弟(dì)受到(dào)鸟(niǎo)类启发而发明了飞(fēi)机一样(yàng)。但(dàn)是飞(fēi)机(jī)最终没有扑扇(shàn)翅(chì)膀升空,无人机的协作同样不仅只是“仿(fǎng)生”。

当(dāng)成群的无人(rén)机从实验室环境中飞到自然环(huán)境中,没有了布置在室内空间各个角落里的(de)感应(yīng)设备,如何才能通过GPS方便地操作(zuò)他们进(jìn)行(háng)写作,完成(chéng)指定的任务(wù)?而群体协作的无人机(jī),还需要一套协作方案,使它(tā)们能够(gòu)通过成员位置来独立灵活判断任务(wù),而不是(shì)由(yóu)中央控制程序(xù)统一协调。这(zhè)些都(dōu)是在研究(jiū)了(le)昆(kūn)虫行为之后,把(bǎ)实验室成果搬到户外之(zhī)前要解决(jué)的重要(yào)的问题。

目前的有利条(tiáo)件是,无人机的成本——从传感器到储存芯片——已经(jīng)在飞(fēi)速下降(jiàng)。在(zài)未来(lái)监(jiān)管的问题也会逐步解决。

技(jì)术(shù)成熟之后,生(shēng)物学家(jiā)想要的数(shù)据会由无人机大量收集,就像目前的数据处理已(yǐ)经大量依赖数据(jù)库和(hé)云计(jì)算中(zhōng)心(xīn),而科学研究有可能因此经历重要的变化。

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