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无人机(jī)这些技术都来自于(yú)昆虫(chóng)!

 

生物(wù)学上有一种(zhǒng)观点认(rèn)为,单个的蚂蚁(yǐ)其实(shí)是一个(gè)个器官,成(chéng)群(qún)结(jié)队的时候才是一只完(wán)整的生物。用(yòng)这种(zhǒng)想法来看待目前商用无人机的主要限制(zhì)——有限的负载能力,催(cuī)生了(le)一种新的、依靠成群出动来(lái)完成任(rèn)务的无人机(jī)形态。

这种无人机被设计得更加势单力薄,因此(cǐ)必须完全依赖集体成为有用的个体,同时也更灵活、可用性更(gèng)强。

这种无人机的一个应用目标是,把人从重(chóng)复性的观察活动中解(jiě)脱(tuō)出来,同时拓展他们的(de)观测范围。

举个例子(zǐ),像是监控非法(fǎ)狩猎和(hé)伐木的情况,需(xū)要从(cóng)较(jiào)大的视角上长期频繁观察。这项任务(wù)非常适合(hé)能够(gòu)在树林(lín)中穿梭的(de)小型无人(rén)机,如果(guǒ)采用了(le)集体合作的方(fāng)式,就能解(jiě)决负载(zǎi)能力(lì)有限的(de)问题(tí)。比如,集体合作时可以让(ràng)一些无(wú)人机装载小型(xíng)摄像设(shè)备,另(lìng)一些(xiē)装(zhuāng)载GPS,另(lìng)一些携(xié)带二(èr)氧化碳探(tàn)测仪(yí)等传感(gǎn)器,它们组成(chéng)的集体则(zé)用(yòng)于发现(xiàn)潜在(zài)的人类(lèi)活动迹象(xiàng)。

它没(méi)准会改变日后无人机(jī)应用(yòng)的思路。而这一(yī)切都(dōu)是从社群昆虫身上(shàng)得到的启发。

从蚂蚁身上学习协作策略

蚂蚁(yǐ)社(shè)群(qún)的一个重要(yào)特点是,它们特别缺乏自(zì)我的概念,专(zhuān)注于做对(duì)群(qún)体最有利的事,因此分工协作的模型干扰因素更少(shǎo)。另外(wài)它们(men)在地上爬(pá)动(dòng),方(fāng)便观察,这让蚂蚁兵团成为无人机协作的模(mó)仿原型之一。

比如,Pratt和(hé)Vijay在合作的(de)项目就是要了解这些蚂蚁在合作中如(rú)何决定谁朝哪个(gè)方向用力。Stephen Pratt是来自亚利桑那大学生命科学(xué)学院(yuàn)的助理教授,运营着Pratt实验室(shì)研究蚂蚁活动;Vijay Kumar则(zé)是宾夕法尼(ní)亚大学的机械工程和应用力学学院的教授。他也是正(zhèng)在设计社群协作无人机(jī)的团队(duì)负责人(rén),在(zài)GRASP(通用机器(qì)人(rén),自动化,传感和感应)实验室进行工作。

PrattVijay设(shè)计了(le)一个四只脚装有(yǒu)传感器的轻装置(zhì),引诱(yòu)蚂蚁来运输(shū)它,借机观察(chá)它(tā)们如何当即判断用力的方向,并诱使它们表(biǎo)现出(chū)各自在群体中的(de)角(jiǎo)色。

基本上,根据他(tā)们的研究结果,蚂蚁们是通过不断(duàn)地试错找到中间(jiān)的平衡点。在协作过程中,产生反(fǎn)作(zuò)用的一方会迅速(sù)调整,Vijay说(shuō)“就像几个蒙(méng)着眼睛的人搬动一张桌子(zǐ)”。

目前,Vijay已经可以把这种即时学习的策略用在陆地使用的机器人(rén)身上(shàng),最(zuì)终他希望能够对(duì)飞行机器人起作用。

从甲壳虫身上学(xué)习飞(fēi)行技巧

除了(le)运输策略以外,飞(fēi)行的技(jì)巧(qiǎo)也(yě)是无人机从昆(kūn)虫身上学习一项内容。

加州大(dà)学伯克利分校(xiào)的Michel Maharbiz认为,研究飞(fēi)行就要让昆虫(chóng)在飞行状态下收集数(shù)据。他在(zài)甲壳虫背上放了(le)微小的芯片(piàn),把电极插入大脑和(hé)肌肉中。通(tōng)过芯片(piàn)上(shàng)的无线设备接受信号,干扰甲壳虫飞行,观察它怎样做出(chū)反应(yīng)、保持(chí)飞(fēi)行(háng)姿态。

科学家们想要从昆虫的活动中寻找启发,就(jiù)像过去怀特(tè)兄弟受到鸟类(lèi)启发而发明了飞机一样(yàng)。但是飞机最(zuì)终没(méi)有(yǒu)扑(pū)扇翅膀升空,无人机的(de)协作(zuò)同(tóng)样不仅只是“仿生”。

当成群的无人(rén)机从实验室环境中(zhōng)飞到自然环(huán)境(jìng)中,没(méi)有了(le)布置在室内(nèi)空间各(gè)个角落(luò)里的感应设备,如(rú)何才能通过GPS方便地操作他们(men)进(jìn)行写作,完成指(zhǐ)定(dìng)的(de)任务?而群体协作的无人机,还需(xū)要(yào)一套协作方案,使(shǐ)它们能(néng)够通过成(chéng)员位置来独立灵活判(pàn)断任务,而不是由中(zhōng)央(yāng)控制程序(xù)统一协(xié)调。这(zhè)些都(dōu)是(shì)在研(yán)究了昆虫行为之后,把实验室成果搬到户外之前要解(jiě)决的(de)重要的问(wèn)题。

目前(qián)的有利(lì)条件是,无人机的成本(běn)——从传感器到(dào)储存芯片——已(yǐ)经在飞速下(xià)降。在(zài)未来监管的问题也会逐步解(jiě)决。

技术(shù)成熟之后,生物学(xué)家想要(yào)的数据(jù)会由无人机大量收集,就(jiù)像(xiàng)目前的(de)数据(jù)处理已(yǐ)经大量依赖数据库和(hé)云计算中心,而科学研究(jiū)有可能(néng)因(yīn)此经历重要的变化。

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