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无人机这些技术都(dōu)来自于昆虫!

 

生物学(xué)上有一种(zhǒng)观(guān)点认(rèn)为,单(dān)个的蚂(mǎ)蚁其实是一(yī)个个器官,成群结队的时候(hòu)才(cái)是一(yī)只完(wán)整的生物。用(yòng)这(zhè)种想法来看待目前商(shāng)用无(wú)人机的主要限制(zhì)——有限的负(fù)载能力,催生了一种新的、依靠成(chéng)群出动(dòng)来完成任务的(de)无人机形态。

这(zhè)种无人机被设计得更加势单力薄(báo),因此必须完全依(yī)赖集体成(chéng)为有用的(de)个体(tǐ),同时也(yě)更灵活(huó)、可(kě)用性(xìng)更强。

这种无人机的一个应用目标是,把(bǎ)人从重(chóng)复性(xìng)的观察活动中(zhōng)解脱出来,同时拓展他们的观测范围。

举个例子,像是监(jiān)控非法狩猎和伐木的情(qíng)况,需要(yào)从(cóng)较大的视角上长期频繁观察(chá)。这项任务非(fēi)常适合能够在树林中穿梭(suō)的小型无人机,如果采用了集体合(hé)作的方式,就能解决负载能力有限的问题。比如(rú),集体合作时可以让一(yī)些无(wú)人机(jī)装载小型(xíng)摄像设备,另一些装载GPS,另一些携带二(èr)氧化碳探测仪等传感器,它们组成的集体(tǐ)则用于发现潜在的人类活动迹象。

它没准会改变日后无人机应用的思路(lù)。而这(zhè)一(yī)切都是从社群昆虫(chóng)身上(shàng)得到的启发。

从(cóng)蚂蚁身上学习(xí)协作策略

蚂蚁社群的一个重要特(tè)点是,它(tā)们(men)特(tè)别(bié)缺乏自(zì)我的概念,专注于做对群(qún)体最有利的事(shì),因此(cǐ)分工协作的模型干扰(rǎo)因素更(gèng)少(shǎo)。另外它们在地上(shàng)爬动,方便观察,这(zhè)让蚂(mǎ)蚁兵团成为无人机协作的模仿原型(xíng)之一。

比(bǐ)如,PrattVijay在合作的项(xiàng)目就是要了解这些蚂蚁在合作中如何决定谁(shuí)朝哪个方向用力。Stephen Pratt是来自亚利桑(sāng)那大学生命科学(xué)学院的助理教授,运营(yíng)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(gōng)程和应用力学学院的教授。他也是正在设计社群(qún)协作无人机的团(tuán)队负(fù)责(zé)人,在GRASP(通用机器人,自动化(huà),传感和(hé)感应)实验(yàn)室进行(háng)工作。

PrattVijay设计(jì)了一(yī)个(gè)四只脚装有传感器的轻装置,引诱蚂蚁(yǐ)来运输它,借机观察它们如何(hé)当即判断用力的方向,并诱使它们表现出各自在群体中的角(jiǎo)色(sè)。

基本上,根据他(tā)们的(de)研究结果(guǒ),蚂蚁们是通过不(bú)断(duàn)地试错找(zhǎo)到中间(jiān)的平衡点。在协作过程中(zhōng),产生反作用的一方会迅速调整,Vijay说“就像(xiàng)几个(gè)蒙(méng)着眼睛(jīng)的人搬动一张桌(zhuō)子”。

目前(qián),Vijay已经可以把这种即(jí)时学习的策略(luè)用在陆地使用的机器人(rén)身上,最终他希望(wàng)能够对飞(fēi)行机器人起作(zuò)用。

从甲壳虫(chóng)身上学习飞行(háng)技巧

除(chú)了运输策(cè)略以外,飞(fēi)行的技巧也是无(wú)人机从昆(kūn)虫身(shēn)上(shàng)学习一项内容。

加(jiā)州大学伯克利(lì)分校的Michel Maharbiz认为,研究飞行就要让昆虫在飞行(háng)状态(tài)下收集数据。他(tā)在甲(jiǎ)壳虫(chóng)背上放了微小的芯片,把电极插入大脑和肌肉中(zhōng)。通(tōng)过芯片上的无线设(shè)备接受信号,干扰(rǎo)甲(jiǎ)壳虫飞行,观察它怎样做出反应、保持飞行(háng)姿态。

科学家们想要从昆虫的(de)活动中寻找启发,就像过去怀(huái)特兄弟受到鸟类启(qǐ)发而发明了飞机一样。但是飞机(jī)最终没有(yǒu)扑扇(shàn)翅(chì)膀升(shēng)空,无人(rén)机的协(xié)作同样不仅只是“仿生”。

当成群的无人机从(cóng)实验室环境中(zhōng)飞到自然环境中,没有了布置在室内空间各个角落(luò)里的(de)感应(yīng)设备,如何才能通过GPS方便地操作他们进行写(xiě)作,完成指(zhǐ)定的(de)任(rèn)务?而群体协(xié)作的无人机,还(hái)需要一套协作方案,使它们能够通(tōng)过成员位置来独立灵(líng)活判断任务,而(ér)不是由中央控制程序统(tǒng)一协调。这(zhè)些都(dōu)是(shì)在研究了昆虫行为之后,把实验室成果搬到户(hù)外(wài)之前要解决的重要的问(wèn)题。

目前的有利条件是,无人(rén)机的成本——从传感(gǎn)器到储(chǔ)存芯片——已(yǐ)经在飞速下降(jiàng)。在未来(lái)监(jiān)管的问(wèn)题也会逐步解决。

技术成熟之后,生(shēng)物学家想要(yào)的数据会由(yóu)无人机大量收集,就像目前的(de)数据处(chù)理已(yǐ)经大量依赖数据库和云计算中心,而科学研究有(yǒu)可能(néng)因此经历重要的(de)变化。

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