自主飛機面臨巨大挑戰

目前我們所處的是令航空航天界激動的時代，許多技術在其能力、經濟適用性、安全性和投資回報方面都有望產生代際跳躍式發展。自主無人飛機系統不同于有人遙控的無人機系統，是真正的自動系統，是無人機的一個發展方向，對于軍用航空和商業航空都將是一個改變游戲規則的發展方向。下面將重點介紹為軍用和商業自主飛機提供轉折點的目前正在發展的技術范疇，涉及具有認知能力的自主系統，也就是人們所期待具有判斷能力并且最終具有飛行員倫理觀的機器人系統。自主飛機雖然并不像初聽起來那么神秘，但是其實現必須克服巨大的挑戰。自主飛機的潛能也只有在這些挑戰得到克服之后才能夠完全發揮。

包括美國在內，很多國家的公司都在開發無人駕駛汽車。公眾一般認為，這并不是一個很難的問題，依靠GPS、合適的傳感器和控制律，無人自主汽車應該就能正常行駛，避免與前方車輛碰撞。聽起來簡單，但如果一個小孩突然跑到汽車前方，而此時汽車高速行駛無法停止，那么汽車控制系統就必須迅速決定如何轉向以避開小孩。如果汽車轉向右邊就有撞上人行道和行人的危險，而轉向左邊就有可能與其他車輛相撞。此時的汽車控制系統就必須像老練的駕駛員那樣，能夠瞬間排列危險的順序，評估各種選擇可能產生的損害，進而采取相應行動。為了理解上的方便，我們通常簡化人的思維決策過程，通常只在技術和人腦之間進行認真的比較，人類尚未對人腦的復雜性有全面的了解，但人腦的工作機制無疑令人贊嘆。無論你如何思考這個問題，自主汽車對人的反應和行動都必須像人類司機那樣。更理想的情況是，自主汽車能像人那樣判斷和決策，但卻能夠避免人類在判斷上可能會出現的問題，使行動更為精確，而這遠不是GPS接收機和一系列傳感器所能解決的。

對于自主作戰飛機來說，所面臨的挑戰比自主汽車更要嚴峻得多，未來自主飛機的認知系統最終必須比優秀的飛行員更具判斷力和可靠性。與自主汽車所不同的是，自主作戰飛機必須在三維空間、在數千米的高度、在非常高的飛行速度中、在各種復雜惡劣的氣候條件下、在敵方環境和在敵友混雜的混亂環境中，向目標投送致命的打擊武器。自主作戰飛機還必須能夠在數千千米之外作戰，而且還要不留痕跡，實現隱身。

在2013年，美國海軍的X-47B樣機成功地實現了在航母上的起飛和降落，為了通過這些試驗，X-47B必須在航母甲板上緊挨著其他飛機和艦上人員機動。在臨近降落的時候，飛機必須平衡自身的三維運動和航母甲板在海上的顛簸。X-47B在2015年成功地進行了一次空中加油，平衡了包括X-47B本身、載人加油機和加油軟管接口三者的運動。第三個運動物體的加入使得挑戰的復雜程度產生了數量級的飛躍。控制它的認知系統必須考慮包括加油機上人員所面臨的風險、氣象條件、加油機的留空時間在內的各種處于變化中的因素，因此挑戰是巨大的。

很多沒有工程素養的人士都想當然地認為，技術的總會持續進步，將來的結果只是簡單地建立在過去結果的基礎之上。我們都清楚摩爾定律的內容—處理速度每18個月左右就會提高1倍，這也是許多人將技術進步視為理所當然的原因之一，同時也因此使得我們認為，只要我們愿意等待，技術終究會達到我們理想的目標，而此時基于計算的一切問題都會迎刃而解。

載人飛機近年來的發展似乎也支持了這種想法，1974年的首架F-16樣機軟件代碼為13.5萬行，2006年的首架F-35原型機則有700萬行代碼，而最新量產的F-35戰機的軟件規模達到了2400萬行代碼。30年前的B-2轟炸機能夠在一次任務中打擊8個獨立的目標，而目前則能夠打擊80個。但是，這些都是載人機，大部分的認知需求都是由訓練有素的飛行員提供的。要是沒有飛行員的話，處理速度就不能勝任了，那些時刻變化的判斷也就要靠軟件算法提供。

軟件算法在概念上非常簡單，就是使計算機根據設計的一套規則來解決具體問題。但是，如今的算法需要學習過程并將學到的東西用于解決各種意想不到的問題。實際的操作環境從來就是隨機的，因此算法必須處理現實世界的可變性、不可預見性和固有的隨機性。自主系統目前的許多進步都不是硬件能力的線性增長，我們當前所深入的計算機科學世界正在呈現能力的非線性加速。已經取得的巨大進步使得X-47B飛機能夠不依賴人類飛行員即可展開行動。X-47B甚至可以多次精確可靠地在飛行甲板的相同位置精準著艦，以至于海軍要求在控制算法中加入隨機性算法，使得X-47B的著艦位置能夠更為分散，使甲板的某些位置不至于過度磨損。

自主飛機自然還需要取得巨大進步，X-47B今后的挑戰將是證明它能夠在即使遭遇干擾和GPS失效的情況下依然能夠完成任務，需要證明它能夠在充斥著友軍和敵方部隊的混亂環境中，戰勝敵人的反制措施和網絡攻擊。下一步的挑戰將是相當高的障礙，需要處理各種挫折和無法預料的問題。

長久以來，國防工業將各種能力轉化給了商業世界，催生了整個行業的擴張和創新，為人類帶來了驚人的利益，GPS、計算機網絡、衛星和通信技術都是如此。自主飛機的完全實現也同樣會給商業航空帶來巨大的利益，包括安全性、能力、運作成本和效率。

創新必須加以管理，在目前財力有限的情況下，研究開發工作更加需要小心管理和培育。在創新、技術和人類智力資本的時代，最為重要的選擇就是支持和推進研發和創新。對于技術行業的從業者來說，最大的利好就是涉身于復雜技術系統的設計和改進，使之最終成為人們不可或缺之物。自主無人飛機系統就是此類系統之一，最終不會局限于軍用，而會變得越來越可靠，越來越強，越來越通用，也越來越經濟適用。自主無人飛機的價值和潛力正在不斷地得到驗證，不久之后定會安全地整合到我們的安全體系和經濟體系之中。（李洪興）

美國陸軍開發機器蟑螂

據美國defense one網站2016年2月8日報道，在美國陸軍研究實驗室的微小自主系統和技術（MAST）計劃的資助下，伯克利的研究人員開發了一款名為帶關節機構的可伸縮機器人（CRAM）—機器蟑螂。

蟑螂是一種令人厭惡的昆蟲，站起來有12.5毫米高，但是在尋找隱藏處的時候可以迅速擠進只有3毫米的縫隙中，且其形態變化并不減慢其逃跑速度。美國研究人員開發的機器蟑螂比蟑螂大不少，有手掌般大小，但是也具有與蟑螂同樣的形狀變化特點。據其開發者在《美國國家科學院院刊》上發表的文章說，CRAM也可以和動物蟑螂一樣，通過將身體高度壓縮54%，由75毫米變成35毫米，在垂直高度受限的空間行進。同時，這也得益于它具有摩擦力小的殼體。CRAM可以不依靠外部的動力和控制，完全自主地在有限的空間內爬行。包括電子系統和電池在內，其總重量只有46克。

CRAM并非美國軍方開發的第一款機器昆蟲和半機器昆蟲。此前，美國國防高級研究計劃局（DARPA）出資開發了一款機器蒼蠅，重量只有60毫克，站立高度為3厘米，不過其實際控制仍然是一個問題。美國軍方也出資開展了多項機器昆蟲計劃，將微型計算機裝到昆蟲身上，創造了半機器半昆蟲的怪物。還有一些研究人員創造了通過直接刺激神經和肌肉來控制甲蟲的系統。

機器蟑螂可以用于災難救助，讓它攜帶信息資料收集設備，進入倒塌的建筑物廢墟中搜尋幸存者，但其并非僅僅用于緊急救助，其主要目的是開發自主機器人來為部隊在狹小的空間收集情報和態勢感知信息。有報道稱，參與計劃的研究人員正在開展使用機器蟑螂進行偵察方面的工作。（李洪興）