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无人机这些技术都来自于昆(kūn)虫!

 

生物学上有一种(zhǒng)观点认为,单个的蚂蚁其实是(shì)一个个器官,成群结队(duì)的(de)时候才是一只(zhī)完整的(de)生物。用(yòng)这种想法(fǎ)来看待(dài)目(mù)前商用无人机的主要限制——有限的负载(zǎi)能力,催生了(le)一种新的、依靠成群(qún)出动(dòng)来完成(chéng)任务的无人机形态。

这种无人机被设(shè)计得更加势单力薄,因(yīn)此(cǐ)必(bì)须完全依赖(lài)集体成为有用的个(gè)体,同(tóng)时也更灵活、可(kě)用性更(gèng)强。

这种(zhǒng)无人机的一个应用目标是,把人(rén)从重(chóng)复性(xìng)的观(guān)察活动中(zhōng)解脱出来,同时拓展他们的观(guān)测范围。

举(jǔ)个例(lì)子,像是监控非法狩猎和伐木的情况,需(xū)要从较大的视角上长(zhǎng)期(qī)频繁观察。这项任务非常适合能(néng)够在树林中穿梭的小型无人机,如果(guǒ)采用了集体合(hé)作的方式,就能(néng)解决负载能力有限的问(wèn)题。比如,集体合作时可以让一些(xiē)无人机装(zhuāng)载小型(xíng)摄像设备,另一(yī)些(xiē)装载GPS,另(lìng)一些(xiē)携带二(èr)氧化碳探测仪等传感(gǎn)器,它们组成的集体(tǐ)则用于发现潜在的人类活动(dòng)迹象。

它没准(zhǔn)会改变日后无人(rén)机(jī)应用的思(sī)路。而(ér)这一切都(dōu)是从社群昆虫身上得到的(de)启发(fā)。

从蚂蚁(yǐ)身上学习协作策略

蚂蚁社群的(de)一个(gè)重要特点(diǎn)是,它们特别缺乏自我的概念(niàn),专注于做对(duì)群体最有(yǒu)利的事,因此分工协作的模型干扰(rǎo)因素(sù)更(gèng)少(shǎo)。另(lìng)外(wài)它们在地(dì)上爬动,方(fāng)便观(guān)察,这(zhè)让蚂蚁兵团成为无人机协(xié)作的模仿原型之一。

比(bǐ)如,PrattVijay在合作的项目就是要了解这些蚂蚁在合作中如何决定谁朝哪个方向用(yòng)力。Stephen Pratt是来自亚利桑那大学生命科学学院的助理教授,运(yùn)营着Pratt实验室研究蚂蚁活动;Vijay Kumar则是宾夕(xī)法尼(ní)亚大学的机械(xiè)工程和应用(yòng)力学学(xué)院的教授。他也是(shì)正在设计社群协作无人机的团(tuán)队负责(zé)人,在(zài)GRASP(通用(yòng)机器人,自动(dòng)化,传感和感(gǎn)应)实验室进行工作。

PrattVijay设计(jì)了一个四只脚装(zhuāng)有传感器的轻装置,引诱蚂(mǎ)蚁(yǐ)来(lái)运输(shū)它(tā),借机观察它们如何当即判断用力的方向,并诱(yòu)使它们表(biǎo)现出各自在(zài)群(qún)体中的角色。

基本上,根据他们(men)的研究结果,蚂蚁们(men)是通过不断(duàn)地试错找到中间(jiān)的(de)平衡点。在协作过(guò)程中(zhōng),产生(shēng)反作用的一方会(huì)迅(xùn)速调(diào)整,Vijay说“就像几(jǐ)个蒙着眼睛的人搬动一张桌子”。

目(mù)前,Vijay已经(jīng)可以把(bǎ)这种即时(shí)学习的策略用在陆地(dì)使用的机器人身上,最终(zhōng)他希望能够对(duì)飞行机(jī)器人起(qǐ)作用。

从甲壳虫身上(shàng)学习飞行技巧

除了运(yùn)输(shū)策略以(yǐ)外,飞(fēi)行的技巧也是无人机从(cóng)昆虫身上学习一项内容。

加(jiā)州(zhōu)大学伯(bó)克(kè)利分校的Michel Maharbiz认为,研究(jiū)飞行(háng)就要(yào)让(ràng)昆(kūn)虫在飞行状(zhuàng)态下收(shōu)集数据。他(tā)在甲壳虫背上放了微(wēi)小的芯片,把电极插入大脑和肌肉(ròu)中。通过芯片上的无线设备接受信号,干扰甲(jiǎ)壳虫(chóng)飞行,观察它怎样做(zuò)出反应(yīng)、保持飞行姿态。

科学家(jiā)们想要从昆虫(chóng)的活动中寻(xún)找启发,就(jiù)像过去怀特兄弟受到鸟(niǎo)类启发而(ér)发明了飞机一样。但是(shì)飞机最终没有扑扇翅膀升空,无人机的(de)协作同样不仅(jǐn)只是“仿生”。

当(dāng)成群的无人机从实验室环境中飞(fēi)到自然环境中(zhōng),没有了(le)布置在室内空间各个角落里的感应设备,如何才能(néng)通过GPS方便地(dì)操作他们进行写作,完成指定的(de)任务?而(ér)群体协作的无人(rén)机,还需要一套协(xié)作方案,使它(tā)们能够通过成员位置来(lái)独立灵活(huó)判断任(rèn)务(wù),而不(bú)是由中央(yāng)控制程序统(tǒng)一协调。这些都是在研究了昆虫(chóng)行为之(zhī)后,把实验室成果搬到户(hù)外之前要解决的重(chóng)要的(de)问题。

目前的有利(lì)条件是,无(wú)人机的成本——从传感器到储(chǔ)存芯(xīn)片——已经在飞速下(xià)降。在未来监管的问题也会逐步解决。

技术成熟之(zhī)后,生物(wù)学家想要的数据会由无人机(jī)大(dà)量(liàng)收集,就像目前的数(shù)据处理已经(jīng)大量依赖数据库和云计算中心,而科学研究有可能因此(cǐ)经历重要的(de)变化。

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