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无人机这(zhè)些技术都来自于昆虫!

 

生物学上有一(yī)种观(guān)点认(rèn)为(wéi),单(dān)个的蚂蚁其实是一个个器官(guān),成群(qún)结队的时(shí)候才(cái)是一只完整的生物。用这种想法来看(kàn)待目前商用无人机的主要限制——有限的负载能力,催生了一种新(xīn)的、依靠成群出动来(lái)完成任务的无(wú)人机形态。

这(zhè)种无(wú)人机被设计得更(gèng)加势单(dān)力薄,因此(cǐ)必须完全依赖集体成为有(yǒu)用的个(gè)体,同时(shí)也更灵活、可用性更强。

这(zhè)种无人(rén)机的一(yī)个应用(yòng)目(mù)标是,把人从重复(fù)性的观察(chá)活动中(zhōng)解脱出来,同时拓展他(tā)们的观(guān)测范围。

举个例子(zǐ),像是监控非(fēi)法狩猎和伐木的(de)情况,需要(yào)从较大的视角上长期频(pín)繁观察(chá)。这项任务非常适合(hé)能(néng)够在(zài)树林中(zhōng)穿梭(suō)的小(xiǎo)型(xíng)无人机,如果采用了(le)集体合作的方(fāng)式,就能(néng)解决负(fù)载(zǎi)能力有限的问题。比如,集体合作时可以(yǐ)让一些无(wú)人机装载小型摄(shè)像设备(bèi),另一些装(zhuāng)载GPS,另(lìng)一些携带二氧化(huà)碳探测(cè)仪(yí)等传感器,它们组成的集体(tǐ)则用于发(fā)现(xiàn)潜在的人类活动迹象。

它没准(zhǔn)会改变日后(hòu)无(wú)人机应用的(de)思路。而这一切都(dōu)是从社群昆虫身上得到的启发。

从蚂蚁身上学习协作策略(luè)

蚂蚁社群(qún)的一个重要(yào)特(tè)点是,它们(men)特别缺乏自我的概念,专注于做对群体最有利的事,因(yīn)此分工协作的模型干(gàn)扰因素(sù)更少。另外它们在地上爬动,方(fāng)便观察,这让(ràng)蚂蚁兵团成为无人机协作的模仿原(yuán)型之一。

比如,PrattVijay在(zài)合作的项(xiàng)目就(jiù)是要了解这些蚂蚁在合作中如何决定谁朝哪个方向用力。Stephen Pratt是(shì)来(lái)自亚利(lì)桑那大学生(shēng)命科学学院的助(zhù)理教(jiāo)授,运营着Pratt实验室研究(jiū)蚂蚁活动;Vijay Kumar则是宾夕法尼(ní)亚大学的机械工程和应用力学学院的(de)教(jiāo)授(shòu)。他也是正在(zài)设计社群协作无人机(jī)的团(tuán)队负责(zé)人,在GRASP(通用机器(qì)人,自(zì)动(dòng)化,传感和感应)实验室进行工作。

PrattVijay设计了一个四只脚装有传感器的轻装置,引诱蚂蚁来运输它,借机观察(chá)它们如何(hé)当即判断用力的方向(xiàng),并诱使它(tā)们表现出各自在群(qún)体中的角色。

基本上,根据他们的研究(jiū)结果,蚂蚁们是通过不断地试错找到中(zhōng)间的平(píng)衡点。在协(xié)作过程中,产(chǎn)生反作用(yòng)的一方会迅(xùn)速调整(zhěng),Vijay说“就像几个蒙着(zhe)眼睛的人(rén)搬动(dòng)一张桌子”。

目前,Vijay已经可以把这种即时学习的策略用在陆地使用的(de)机器人身(shēn)上(shàng),最终(zhōng)他希(xī)望能够对飞行(háng)机器人起(qǐ)作(zuò)用。

从甲壳虫(chóng)身(shēn)上学习飞(fēi)行技巧

除了运输策略以外,飞(fēi)行的技巧也是无人机从昆虫身上学习一项内容。

加州大学伯(bó)克(kè)利分校的Michel Maharbiz认为,研究飞行就要让昆虫在飞(fēi)行状态下(xià)收(shōu)集数据(jù)。他在甲壳虫背(bèi)上放了微(wēi)小的芯片,把电极插入大脑和肌肉中(zhōng)。通过芯片上(shàng)的无线设备(bèi)接受信(xìn)号(hào),干扰(rǎo)甲壳虫飞行,观(guān)察它怎样做(zuò)出反应、保(bǎo)持(chí)飞行姿(zī)态。

科学家们(men)想要从昆虫(chóng)的活动中寻(xún)找启发,就像(xiàng)过去怀(huái)特兄弟受到鸟类启发而(ér)发(fā)明了飞(fēi)机一样(yàng)。但是飞(fēi)机最终没有扑扇翅膀升空,无人机的协作同样不仅只是“仿(fǎng)生”。

当(dāng)成群(qún)的无人机从实验室环境中飞到自然环境中,没有了布置在室内空(kōng)间各个角落(luò)里的(de)感应设备,如(rú)何才能通过GPS方便(biàn)地操作(zuò)他们进行写作,完(wán)成指定的任务?而群(qún)体协(xié)作的无人机,还需要(yào)一(yī)套协作方案,使它们能够通(tōng)过成员位置来(lái)独立灵活判断任务,而不是由中央控制(zhì)程序(xù)统一协调。这些都是在(zài)研究了昆虫(chóng)行(háng)为之(zhī)后(hòu),把实验室成果(guǒ)搬到户外之前要解决的重要的(de)问题。

目前的(de)有利条件(jiàn)是,无人机的成本——从(cóng)传感器到储存芯片——已经在(zài)飞速下降(jiàng)。在未来监管的问题也会逐步解(jiě)决。

技术成熟之后(hòu),生物学(xué)家想要的数据(jù)会由(yóu)无(wú)人机大量收集(jí),就像目前的数据处理已经大量(liàng)依赖数据库(kù)和云计算中心(xīn),而科学(xué)研究有可(kě)能因(yīn)此(cǐ)经历重要的变化。

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