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无人机(jī)这些技术都来(lái)自(zì)于(yú)昆虫!

 

生(shēng)物学上有一(yī)种观(guān)点认为(wéi),单个的蚂蚁其实是一个(gè)个(gè)器官,成群结队(duì)的(de)时候才是一只(zhī)完(wán)整的生物。用这种想法来(lái)看(kàn)待目前商用无人机的主要限制——有限的负载能力,催生了一种新的、依(yī)靠成群出动来完(wán)成任(rèn)务的(de)无人(rén)机形态。

这种(zhǒng)无人机被设计得更(gèng)加势单力薄(báo),因此必须完全依赖(lài)集体成为有用的(de)个体,同时也更灵活(huó)、可用性(xìng)更强。

这(zhè)种无人机的一个应用目标是,把人从重复(fù)性的观察活动中解脱出(chū)来,同时拓(tuò)展他们的观测范围。

举个(gè)例子,像是(shì)监控非法狩猎和伐木的情况,需要(yào)从较大的视角上长期(qī)频繁观察。这项任务非常适合能(néng)够在树林中穿梭的(de)小型无人机(jī),如果采用了集体合(hé)作的方式,就能(néng)解决负载能力有限的问(wèn)题。比如,集(jí)体合作时可以让一些无(wú)人机装(zhuāng)载小型摄像设备,另(lìng)一些装(zhuāng)载(zǎi)GPS,另一(yī)些(xiē)携带二氧化碳探测仪(yí)等传感器,它们组成的集体则用于发现潜(qián)在的人类活动迹象(xiàng)。

它没准会改变日后无人机应(yīng)用(yòng)的思(sī)路。而这一切都(dōu)是从社群昆虫(chóng)身上得到的启(qǐ)发。

从蚂蚁身上学习(xí)协作策略

蚂(mǎ)蚁(yǐ)社(shè)群的一个重(chóng)要特(tè)点是,它们特别缺乏自我的概(gài)念,专注于做对(duì)群体(tǐ)最有利(lì)的事(shì),因此分工协作的模型干扰(rǎo)因素更少。另(lìng)外它(tā)们在地上爬(pá)动,方便(biàn)观察,这(zhè)让蚂蚁兵团成为无人机协作的模仿(fǎng)原型之一。

比如,PrattVijay在合作的项目就是要了解(jiě)这些蚂蚁在合作中如何决定谁朝(cháo)哪个方向用力。Stephen Pratt是来(lái)自(zì)亚利(lì)桑(sāng)那大(dà)学生命科学学院的(de)助理教授,运(yùn)营着(zhe)Pratt实验室研(yán)究蚂(mǎ)蚁活动;Vijay Kumar则是宾夕法尼亚大(dà)学的机械工程(chéng)和应用力学学院的(de)教授。他(tā)也是正在设计社群协作无人(rén)机的团队负责人,在GRASP(通用机(jī)器(qì)人,自动化(huà),传感和感应)实验室进行(háng)工作。

PrattVijay设计了一个四(sì)只(zhī)脚装(zhuāng)有传感器的轻装置,引诱蚂(mǎ)蚁来运输(shū)它,借(jiè)机观察它们如何当即(jí)判(pàn)断用力的方向,并诱使它(tā)们表现(xiàn)出各自在群体中的角色。

基(jī)本上,根据他(tā)们的研究结(jié)果,蚂蚁们是通过不断地试错找到中(zhōng)间的平衡点(diǎn)。在协作过程中,产生(shēng)反作用的一方(fāng)会(huì)迅速调(diào)整(zhěng),Vijay说“就像几个(gè)蒙着眼睛的人搬动一(yī)张桌子”。

目(mù)前,Vijay已经(jīng)可以把这种即时学习(xí)的(de)策略用在(zài)陆地使用的机器(qì)人身上,最终他希望能够对飞行(háng)机器人起作用。

从甲壳虫身上学习飞行(háng)技巧

除了运输策略以(yǐ)外,飞行的技巧也是无人机从昆虫身上学习一项内容。

加州大学伯克利(lì)分(fèn)校的(de)Michel Maharbiz认为,研(yán)究飞行(háng)就要让昆虫在飞(fēi)行(háng)状态下收集(jí)数据。他在甲壳虫背上放了微小的芯片,把电极插入大(dà)脑和肌肉中。通过芯(xīn)片上的无线设备接受信号,干扰(rǎo)甲壳虫飞行(háng),观察它怎样做(zuò)出反(fǎn)应(yīng)、保持飞(fēi)行姿态。

科(kē)学家们(men)想要从昆虫的(de)活(huó)动中寻找启发(fā),就像(xiàng)过去怀(huái)特兄弟受到(dào)鸟类启(qǐ)发(fā)而发明了飞机一样。但是(shì)飞机(jī)最终没有(yǒu)扑扇翅膀升空(kōng),无(wú)人机的协(xié)作同样不仅(jǐn)只是“仿生”。

当成群的无人(rén)机从(cóng)实(shí)验(yàn)室环境中(zhōng)飞到自然环境(jìng)中,没有了布置在室内空间各个角落里的感(gǎn)应设备,如何才能通(tōng)过GPS方便地操作他们(men)进(jìn)行写(xiě)作(zuò),完成指定的任务?而群体协作的无人机,还需要一套协作方案,使它们(men)能够通过成员位置来独立灵活判(pàn)断任务,而不是由(yóu)中央控制(zhì)程序统一(yī)协(xié)调。这些都(dōu)是在研究了昆虫行为之后,把(bǎ)实验室成果搬到(dào)户外之(zhī)前要解决的重要的(de)问题(tí)。

目前的有利条(tiáo)件是,无人机的成本——从传感器(qì)到(dào)储存芯(xīn)片——已经在飞速下降。在未来监管的问题也(yě)会(huì)逐步解决。

技(jì)术成熟之后,生物(wù)学家想要的数据(jù)会由无(wú)人机大量收(shōu)集,就像目前的(de)数据处理(lǐ)已经大(dà)量依赖数据库和云计(jì)算中心(xīn),而科学研究(jiū)有可能因此经(jīng)历重(chóng)要的变(biàn)化(huà)。

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