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无人(rén)机这些技术都来自于昆虫!

 

生物学上有一种观点(diǎn)认为,单(dān)个的蚂蚁(yǐ)其实是一(yī)个(gè)个器官(guān),成群结队的(de)时候(hòu)才是一只完整的生物。用这种想法来看待目前商用无人(rén)机的主要限制(zhì)——有限的(de)负载能力,催(cuī)生(shēng)了一种新的(de)、依靠成群(qún)出动来完(wán)成任务的(de)无人机形态。

这种无人机被(bèi)设计(jì)得(dé)更加势单力薄,因此必须完全依赖集体成为有用的个体,同时也(yě)更灵活、可用性(xìng)更强(qiáng)。

这种无(wú)人机的一(yī)个应用目标(biāo)是,把人从重(chóng)复(fù)性(xìng)的观察(chá)活(huó)动中(zhōng)解脱出来,同时拓展他们的观测范围。

举个(gè)例子(zǐ),像是监控非法(fǎ)狩猎和伐木的情况(kuàng),需要从较大(dà)的(de)视(shì)角上长期频繁(fán)观察。这项任务非常适合能(néng)够在树林(lín)中(zhōng)穿(chuān)梭的小型无人机,如果采用了集体合作(zuò)的方式,就(jiù)能解决负载能(néng)力有限(xiàn)的问题。比如,集体合作(zuò)时(shí)可以让一些无人(rén)机(jī)装(zhuāng)载小型摄像设(shè)备(bèi),另一些(xiē)装载GPS,另一(yī)些(xiē)携带(dài)二氧化碳探测仪等(děng)传(chuán)感器,它(tā)们组成的集体则用于发现潜在的人类活动迹象。

它没(méi)准会(huì)改变日后无(wú)人机(jī)应用(yòng)的(de)思路。而这一切(qiē)都是从社群(qún)昆虫身上得到的(de)启(qǐ)发。

从蚂蚁身上学习(xí)协作策(cè)略(luè)

蚂蚁社群的(de)一个重要(yào)特点(diǎn)是,它们特别缺乏自我的概(gài)念,专注于做对群(qún)体最有(yǒu)利的事,因此分(fèn)工协作的(de)模型干扰因素更少(shǎo)。另外它们(men)在地上爬动,方便观察(chá),这让蚂蚁兵(bīng)团成为无(wú)人机协作的(de)模仿(fǎng)原型之(zhī)一。

比如,Pratt和(hé)Vijay在合作的项目就(jiù)是要(yào)了解这些蚂蚁(yǐ)在合(hé)作中如何决定谁朝哪个(gè)方向用力。Stephen Pratt是(shì)来自亚利桑那大学生命科学(xué)学院的助理教授,运营着Pratt实(shí)验室研究蚂蚁(yǐ)活动;Vijay Kumar则是宾夕(xī)法尼(ní)亚大(dà)学的(de)机械工(gōng)程(chéng)和应用力学学院的教授。他(tā)也是(shì)正在设计社群协作无人机的(de)团队负责人,在GRASP(通(tōng)用(yòng)机器人,自动化(huà),传(chuán)感和感应)实验室进行工作。

PrattVijay设(shè)计了一个四只脚装(zhuāng)有传感器(qì)的(de)轻装置,引诱蚂蚁来运输它,借(jiè)机观察它们如何(hé)当(dāng)即判断用力的方向,并诱使它们表(biǎo)现出各自在(zài)群体(tǐ)中的角色。

基本上(shàng),根据他们的研究结果,蚂(mǎ)蚁们是(shì)通过(guò)不(bú)断地(dì)试(shì)错找到中间的平衡点(diǎn)。在协(xié)作过程中,产(chǎn)生反(fǎn)作用的一方会(huì)迅速调整,Vijay说“就像几个蒙着眼睛的(de)人搬动一张桌子”。

目前,Vijay已经可以把这种即时(shí)学习的策(cè)略用在陆地使用的机器人身上,最终他(tā)希望能够对飞(fēi)行机器人起作用。

从甲(jiǎ)壳虫身上学习飞行技巧

除(chú)了运输策略以(yǐ)外,飞(fēi)行的(de)技巧也是无人机从昆(kūn)虫(chóng)身上学习一项内容。

加州大学伯克利分校的Michel Maharbiz认(rèn)为,研究飞行就要让(ràng)昆虫在飞行状(zhuàng)态下收集(jí)数(shù)据。他在甲壳虫背上放(fàng)了微(wēi)小的芯片,把电极插入大脑和(hé)肌肉中。通过芯(xīn)片上的无线设(shè)备接受(shòu)信(xìn)号,干扰甲壳(ké)虫飞行,观(guān)察(chá)它怎样做出反应、保持飞行姿态。

科(kē)学家们想要从昆(kūn)虫的活动中寻找启(qǐ)发,就(jiù)像过去怀(huái)特兄(xiōng)弟受到鸟类启发而发明了飞机一(yī)样。但是飞机(jī)最终没有扑扇(shàn)翅膀升空,无(wú)人机(jī)的(de)协作同样不仅只(zhī)是“仿生(shēng)”。

当成群的(de)无人机从实验室环境(jìng)中(zhōng)飞到自然环(huán)境中(zhōng),没有(yǒu)了布置在室内空间各个角落里的感应设备,如何(hé)才能通过GPS方便(biàn)地操作他(tā)们进(jìn)行写(xiě)作,完成指定的(de)任(rèn)务?而群体协作的无人机,还(hái)需要一套协作方(fāng)案,使它们(men)能够通(tōng)过成员(yuán)位置来独立灵活判断任务,而不是由中央控制程(chéng)序统一协调。这些都是在研究了昆虫行为之后,把实(shí)验室(shì)成果搬(bān)到户外之前要解决的(de)重(chóng)要的问题。

目前的有(yǒu)利(lì)条件(jiàn)是,无人机(jī)的成本——从(cóng)传感器到储存芯(xīn)片——已经在飞速(sù)下降。在未来监管(guǎn)的问题也会(huì)逐步解决。

技术成熟之后,生物(wù)学家想要的数据会由无人机大(dà)量收集,就像目前的数据处理已经大(dà)量依赖数据库和云计(jì)算中心,而科学研(yán)究有可能因此(cǐ)经(jīng)历重要的变化。

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