昆蟲(chóng)將無(wú)人機(jī)帶到更高處

自然界中的各種生物歷時(shí)數(shù)百萬(wàn)年才讓撲翼飛行變得日臻完善，而現(xiàn)在，工程師們能用機(jī)器來(lái)再現(xiàn)這種飛行，由此制造出的各種微型無(wú)人機(jī)也已深入各個(gè)領(lǐng)域。

從自然界中汲取靈感

在過(guò)去的一年多里，工程師理查德·古烈和湯姆·瓦內(nèi)克一直試圖研制出一架經(jīng)久耐用的微型無(wú)人機(jī)，其能躲避其他物體，在建筑物內(nèi)準(zhǔn)確定位；而且，在暴風(fēng)雨天氣里也能風(fēng)雨無(wú)阻地飛行。

他們?cè)?jīng)嘗試讓其微型無(wú)人機(jī)采用固定機(jī)翼，但需要添加足夠多的傳感器才能讓這種無(wú)人機(jī)有效地探測(cè)到障礙物，如此一來(lái)，這種無(wú)人駕駛飛機(jī)就太重了而無(wú)法飛起來(lái)。他們也嘗試采用直升機(jī)的形式，但直升機(jī)的旋翼一直糾纏在電線內(nèi)。另外，他們也建造過(guò)一臺(tái)配備了發(fā)動(dòng)機(jī)的氣球，但以上諸多嘗試都以失敗告終。

直到有一天，兩個(gè)人在酒吧小飲時(shí)，看到一只飛蛾突然猛烈地撞在了玻璃上并從中得到啟示。如果是微型無(wú)人機(jī)撞在玻璃上，必定會(huì)粉身碎骨，但飛蛾并沒(méi)有如此，而是從玻璃上彈開(kāi)，拍了拍翅膀，恢復(fù)原狀，然后飛走了。兩人意識(shí)到他們能制造出一種人造系統(tǒng)，其撞擊到其他物體上之后，能立刻復(fù)原并繼續(xù)向前，這是一個(gè)創(chuàng)新。

這并非工程師們首次從自然界中借鑒和汲取設(shè)計(jì)靈感，尤其是當(dāng)我們提到飛行時(shí)，從自然界中汲取的靈感和經(jīng)驗(yàn)不勝枚舉。自然界中，有些飛行動(dòng)物經(jīng)歷了近億年的進(jìn)化過(guò)程，它們發(fā)展出了各具特色的空中飛行能力，其整體功能漸趨優(yōu)化，為當(dāng)前的人造航行器和飛行器望塵莫及。其上億年進(jìn)化得來(lái)的翅膀形態(tài)和飛行方式給了我們很多啟迪。

數(shù)個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)一直夢(mèng)想有一天能像鳥(niǎo)兒一樣在天空中翱翔。早在古希臘，就流傳著關(guān)于翅膀的傳說(shuō)：少年伊卡洛斯和父親狄德勒斯被諸神囚禁在孤島上。身為巧匠的父親便利用島上的蠟燭，制作了兩副精巧的羽翅，一副給自己，一副給伊卡，可以藉此飛出孤島，逃離囚禁的命運(yùn)。15世紀(jì)70年代，意大利天才萊昂納多·達(dá)·芬奇畫(huà)出了一種由飛行員自己提供動(dòng)力的飛行器，并稱(chēng)這種飛行器為“撲翼飛機(jī)”。這種飛機(jī)模仿鳥(niǎo)兒、蝙蝠和恐龍時(shí)代的翼龍，具有多個(gè)膜狀翅膀。達(dá)·芬奇認(rèn)為只有撲翼機(jī)才能既具備推力，又具備提升力。此后，有許多人開(kāi)始模仿達(dá)·芬奇的畫(huà)作設(shè)計(jì)制造飛機(jī)，然而都逃不過(guò)失敗的命運(yùn)，理想情況下能上下蹦跳幾下，最壞的結(jié)果則是摔成碎片。

后來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們慢慢解開(kāi)了自然界的很多謎題。與此同時(shí)，工程師們也研發(fā)出了第一架模仿昆蟲(chóng)的、能飛行的交通工具，由此，為一類(lèi)全新的設(shè)備——微型無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)拉開(kāi)了大幕。

揭開(kāi)昆蟲(chóng)飛行的秘密

盡管昆蟲(chóng)和其親屬占所有動(dòng)物物種（迄今為止，我們已知的動(dòng)物共有90多萬(wàn)種）的80%左右，但昆蟲(chóng)飛行的力學(xué)原理一直是個(gè)未解之謎。傳統(tǒng)的固定機(jī)翼飛機(jī)主要依靠機(jī)翼上穩(wěn)定的氣流來(lái)飛行。直升機(jī)和旋翼機(jī)也是如此。但因?yàn)槔ハx(chóng)的翅膀會(huì)不斷地前后拍打，所以它們周?chē)目諝庖苍诔掷m(xù)發(fā)生變化。而且，蜜蜂和其他昆蟲(chóng)短而粗的翅膀能夠提升的重量之大，用傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)原理根本不足以解釋。

在科學(xué)家們能理解拍翼飛行之前，他們首先必須能看見(jiàn)其最幽微的細(xì)枝末節(jié)。在上世紀(jì)70年代，英國(guó)劍橋大學(xué)的丹麥籍動(dòng)物學(xué)家托克爾·韋斯-福用高速攝影術(shù)對(duì)正在不斷盤(pán)旋的昆蟲(chóng)翅膀的精確運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析并同昆蟲(chóng)的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行比較。借此，他推導(dǎo)出了一個(gè)通用的昆蟲(chóng)飛行理論，其中包括他稱(chēng)為“拍撲效應(yīng)”的原理。這種原理指出，昆蟲(chóng)在初始時(shí)刻將翅膀重疊在一起，隨后再突然將翅膀分開(kāi)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)把空氣帶走并且制造出一種低壓的“小口袋”。接著，空氣又會(huì)再次殺入“小口袋”中，形成一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的渦旋。這種渦旋制造出的力對(duì)在昆蟲(chóng)的翅膀拍動(dòng)期間將昆蟲(chóng)提升起來(lái)必不可少。韋斯-福指出，同樣的漩渦或許可以由翅膀的角度和旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生，從而產(chǎn)生額外的提升力。

20年后，計(jì)算機(jī)技術(shù)也對(duì)這一理論產(chǎn)生了興趣；科學(xué)家們也開(kāi)始將這些原理應(yīng)用到人造系統(tǒng)上。英國(guó)劍橋大學(xué)的查爾斯·艾靈頓建造出了一雙機(jī)械翅膀，能夠精確地模擬鷹蛾的運(yùn)動(dòng)。鷹蛾是世界上飛行速度最快的昆蟲(chóng)，大約每小時(shí)可飛行52千米。艾靈頓將研制出的機(jī)械翅膀置于一個(gè)充滿了煙霧的風(fēng)洞中，如此一來(lái)，當(dāng)昆蟲(chóng)拍動(dòng)翅膀時(shí)，他就能分析其運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)原理。另外，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)生物學(xué)家邁克爾·迪金森則建造了一對(duì)機(jī)器果蠅的翅膀，其能模擬一只果蠅的一舉一動(dòng)。

借用這兩組機(jī)械翅膀，這兩名科學(xué)家分別總結(jié)出了各自研究的昆蟲(chóng)飛行的空氣動(dòng)力學(xué)原理。

1998年，迪金森和電子工程師羅恩·費(fèi)林獲得了美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）提供的250萬(wàn)美元獎(jiǎng)金，以應(yīng)用這些原理來(lái)研制一臺(tái)昆蟲(chóng)大小的機(jī)器人。他們找了一位名叫洛博·伍德的研究生和他們一起工作，伍德的主要任務(wù)是幫助他們研發(fā)技術(shù)來(lái)制造出細(xì)小的零件并將其組裝成一對(duì)鑷子，這些工作繁瑣且耗時(shí)。2004年，伍德找到了非常有效的方法，即使用極其高效且奇異的材料來(lái)復(fù)制昆蟲(chóng)翅膀的運(yùn)動(dòng)。他建造了一個(gè)陀螺儀，能模擬昆蟲(chóng)用來(lái)探測(cè)身體旋轉(zhuǎn)的傳感器；而且，他也研究出了方法，可以在微尺度上制造復(fù)雜的系統(tǒng)。

將知識(shí)變成機(jī)器人

2006年冬天，伍德完成了一個(gè)60毫克重的機(jī)器人，其擁有3厘米長(zhǎng)的翼展以及家蠅大小的胸部，該機(jī)器人同一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)的機(jī)箱上塞滿了高壓放大器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。測(cè)試之前，伍德仔細(xì)地檢查了它們之間的連接和信號(hào)。

接著，他迅速打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)他的小型機(jī)器人的翅膀開(kāi)始振動(dòng)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這種振動(dòng)將機(jī)器人提到空中并持續(xù)了幾秒鐘。他耗費(fèi)7年時(shí)間就為了這一刻。不過(guò)他還要花上5年時(shí)間，才能取得下一個(gè)突破：讓這種微型機(jī)器人沿著預(yù)先編好的路線持續(xù)穩(wěn)定地飛行。

2012年夏天，他取得了里程碑式的成功，他的實(shí)驗(yàn)室成功研制出了一款名為“機(jī)器蜜蜂（RoboBee）”的模型，結(jié)果表明，這種精巧的機(jī)器能升入空中并首次展示出了穩(wěn)定的盤(pán)旋以及可控制的飛行技巧。

現(xiàn)在，伍德已經(jīng)成為微尺度機(jī)器飛行領(lǐng)域的泰斗，而其他研究人員則通過(guò)使用撲翼動(dòng)力學(xué)來(lái)減少能攜帶負(fù)載的飛行設(shè)備的大小。

2011年，位于美國(guó)加州的航空環(huán)境公司（AeroVironment）展示了其名為“納米蜂鳥(niǎo)”的無(wú)人機(jī)，這架可以放在口袋的人造蜂鳥(niǎo)偵察機(jī)的長(zhǎng)度僅16厘米，兩翼展開(kāi)為19厘米，重19克，裝有電池、電機(jī)、攝像機(jī)和通訊器材，可以人為遙控，垂直攀爬或下降、側(cè)飛、前進(jìn)和后退，也可順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。“納米蜂鳥(niǎo)”依靠自身電力可以在空中停留11分鐘，向前飛行速度可達(dá)17.6千米/時(shí)。

“納米蜂鳥(niǎo)”的成功標(biāo)志著人類(lèi)在室內(nèi)無(wú)人偵察和監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新的高度。2010年，航空環(huán)境公司收到了美國(guó)政府2182份“大烏鴉”便攜式無(wú)人偵察機(jī)的訂單。“大烏鴉”重不到2千克，翼展約1.3米，使用電池驅(qū)動(dòng)，可攜帶紅外攝像機(jī)，最大巡航速度近100千米/時(shí)，續(xù)航時(shí)間60～80分鐘。“大烏鴉”非常小巧，分解后可以放入背包內(nèi)。它主要用于戰(zhàn)地偵察，士兵直接用手投擲起飛，2003年以來(lái)，“大烏鴉”在阿富汗得到了廣泛使用，并受到美軍高度評(píng)價(jià)。此外，2012年10月，美國(guó)TechJect公司公布了一款手掌般大小的飛行機(jī)器人，它的外形就如同一只蜻蜓。據(jù)悉，這個(gè)機(jī)器人的重量還不到5.5克，可拍攝高清晰度的圖片，也可通過(guò)Wi-Fi控制iPad或智能手機(jī)。這款無(wú)人機(jī)身體里擁有20個(gè)傳感器，能夠用來(lái)進(jìn)行航拍、特技飛行或者是自主安全巡邏和監(jiān)控。這款無(wú)人機(jī)利用了一種名為共振的空氣動(dòng)力學(xué)原理。當(dāng)空氣密度、風(fēng)速以及“蜻蜓”身體組織的重量完美平衡時(shí)，“蜻蜓”的翅膀拍動(dòng)的效率最高，此時(shí)，翅膀的拍動(dòng)會(huì)制造出渦旋波，這些渦旋波會(huì)合并在一起。TechJect公司的總裁賈揚(yáng)特·拉蒂表示，撲翼飛機(jī)利用共振能顯著提升其能效，用最小的努力制造出最優(yōu)化的提升效果。

打造一架更堅(jiān)固耐用的無(wú)人機(jī)

這些小型、脆弱易碎的無(wú)人機(jī)并沒(méi)有解決由無(wú)法預(yù)期的碰撞所導(dǎo)致的損害這一問(wèn)題，因此，古烈和瓦內(nèi)克一直希望能提高其耐用性。在酒吧受到飛蛾的啟示之后，他們開(kāi)始與其他人合作，來(lái)再現(xiàn)昆蟲(chóng)的飛行。他們找到了伍德，此時(shí)，伍德的實(shí)驗(yàn)室已并入哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所。隨后，他們利用一套圖像采集系統(tǒng)，對(duì)飛蛾在同玻璃碰撞之前、之中以及之后的一舉一動(dòng)進(jìn)行了記錄和分析。通過(guò)密切地觀察飛蛾身體部位的方位，他們精確測(cè)量出了昆蟲(chóng)的翅膀和腿部的開(kāi)合和扭轉(zhuǎn)。

古烈和瓦內(nèi)克仔細(xì)觀察了這種飛蛾身體怪異的幾何形狀。其外骨骼有類(lèi)似于手風(fēng)琴的部分，這部分的作用就像是一個(gè)減震器，其似乎也能感受到即將到來(lái)的碰撞。就在碰撞之前，飛蛾會(huì)以一定的角度飛行，確保其腿部首先接觸到玻璃。在那一瞬間，翅膀一動(dòng)不動(dòng)。每當(dāng)飛蛾猛烈撞上窗戶時(shí)，它會(huì)條件反射般地屈服于撞擊的動(dòng)量并落下來(lái)。但剎那之間，飛蛾的重心會(huì)將其拉回到一個(gè)穩(wěn)定的位置。接著，其翅膀再次拍動(dòng)，讓昆蟲(chóng)再次有控制地盤(pán)旋。瓦內(nèi)克說(shuō)：“通過(guò)翅膀的拍動(dòng)，飛蛾能撞擊并快速恢復(fù)，這一點(diǎn)非常不容易，目前，還沒(méi)有人造系統(tǒng)能做到這一點(diǎn)。”

因此，他們兩人開(kāi)始利用這些知識(shí)，來(lái)研制一款有彈性的微型飛行器。這種設(shè)備的身體要能防震；每個(gè)翅膀也需要能被獨(dú)立地控制。因此，他們?yōu)橐粋€(gè)四旋翼飛機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)外殼，其上整合了一些橡膠減震器，位于由碳纖維和塑料制造的零件中間。他們給四旋翼的每一個(gè)旋翼都安裝了發(fā)動(dòng)機(jī)以便模擬不斷交替的翅膀速度，正是這種速度對(duì)擁有四個(gè)翅膀的昆蟲(chóng)的飛行狀態(tài)進(jìn)行了完美的控制。當(dāng)這一設(shè)備被風(fēng)吹離軌道或碰上障礙物時(shí)，其上裝配的計(jì)算機(jī)能探測(cè)到其目前的位置和預(yù)先編好的飛行路徑之間的差異，而且，一個(gè)自動(dòng)駕駛儀會(huì)條件反射似的讓其恢復(fù)穩(wěn)定。

去年2月份，他們讓采用這種方法研制出來(lái)的、名為InstantEye的小型無(wú)人機(jī)參加一年一度的美國(guó)陸軍遠(yuǎn)征勇士試驗(yàn)，成為獲得最高排名的機(jī)型之一。當(dāng)被拋到空中時(shí)，InstantEye能自動(dòng)飛行。用戶可以用它在高處建立一個(gè)即時(shí)可用的有利位置，同時(shí)又不必花時(shí)間將設(shè)備發(fā)射到空中。

克服未來(lái)的障礙

盡管第一代微型無(wú)人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)并受到各方追捧，但工程學(xué)上的挑戰(zhàn)仍然存在，其中最大的障礙在于電源。與塊頭大一點(diǎn)的InstantEye無(wú)人機(jī)不同，“納米蜂鳥(niǎo)”“蜻蜓”無(wú)人機(jī)以及機(jī)器蜜蜂都必須被連接到外部電源上。伍德正使用微構(gòu)造來(lái)試圖讓其上負(fù)載的電池盡可能小，并與其他研究人員合作，希望能研制出新奇的電池、微型燃料電池以及無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)。他認(rèn)為，未來(lái)一兩年內(nèi)，這樣的設(shè)備應(yīng)該就可以研制出來(lái)。

古烈和瓦內(nèi)克則希望用撲翼取代其四旋翼飛機(jī)上的螺旋槳。盡管與其他無(wú)人機(jī)相比，InstantEye更擅長(zhǎng)從陣風(fēng)導(dǎo)致的偏擺以及微小的碰撞中恢復(fù)過(guò)來(lái)，但其螺旋槳仍然與電線糾纏在一起。

而研制機(jī)器飛蛾的迪金森在華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室則在使用高級(jí)成像系統(tǒng)對(duì)昆蟲(chóng)的飛行進(jìn)行更加深入地研究。他說(shuō)：“15年前，高速照相機(jī)每秒只能捕獲約3000幀，這使得昆蟲(chóng)看起來(lái)就像小型怪異的‘天外來(lái)客’，而現(xiàn)在，照相機(jī)每秒能捕獲大約7500幀，因此，我們能夠進(jìn)行更加精微的研究。”

迪金森的研究重點(diǎn)也不僅僅是分析飛行，他也在使用電極記錄昆蟲(chóng)大腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)。他將這些神經(jīng)細(xì)胞同一個(gè)飛行模擬系統(tǒng)連接在一起，并對(duì)其進(jìn)行視覺(jué)刺激。例如，讓其觀看食肉動(dòng)物的圖像等，以引起它們的反應(yīng)，希望借此了解昆蟲(chóng)大腦內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞如何處理與飛行有關(guān)的信息以及傳感信息如何被翻譯成特定的行為，最終目的是皮節(jié)昆蟲(chóng)如何有控制地在空中玩花樣。

這些研究成果有助于科學(xué)家們研制出更輕量、更智能的無(wú)人機(jī)，而其應(yīng)用范圍當(dāng)然也更廣闊。古烈和瓦內(nèi)克計(jì)劃將InstantEye出售給軍方和執(zhí)法部門(mén)。而據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，駐阿富汗英軍部隊(duì)成為目前世界上最為先進(jìn)的微型遙控?zé)o人偵察機(jī)的第一批使用者。這款名為“黑色大黃蜂”的微型無(wú)人偵察機(jī)的尺寸大約為10厘米×2.5厘米，可以為地面部隊(duì)提供重要的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)。該款無(wú)人機(jī)裝備了一部微型攝像頭，可以為作戰(zhàn)部隊(duì)提供動(dòng)態(tài)圖像或是靜態(tài)照片，士兵可以使用其對(duì)街角、圍墻或是其他障礙物進(jìn)行偵察，以預(yù)知這些視覺(jué)死角后方潛在的危險(xiǎn)。

除此之外，微型無(wú)人機(jī)或許也能在室內(nèi)使用，比如幫助警察和特警在辦公大樓或銀行內(nèi)部等收集腳印；在災(zāi)區(qū)搜尋幸存者；它們也能監(jiān)測(cè)交通和環(huán)境狀況；在野外收集數(shù)據(jù)。

無(wú)論最終的應(yīng)用如何，微型無(wú)人機(jī)都不再是達(dá)·芬奇等人的夢(mèng)想。它們已經(jīng)一飛沖天，靈巧，能很快恢復(fù)且自帶電源。