生物学上有一种(zhǒng)观(guān)点认为(wéi),单个的蚂蚁其实是一个个器官,成群结队的时候才是一只(zhī)完整的生物。用这种(zhǒng)想法来看待目前商用无人机的主要限制——有(yǒu)限的负(fù)载能力,催生了一种新的(de)、依靠成群出动来完成任务的无人机形态。
这种无人(rén)机被设计得更(gèng)加(jiā)势单力薄,因此必须完全(quán)依赖集体成为有用(yòng)的个体,同时也更灵活、可用(yòng)性更强。
这种无人机(jī)的一个应用目标是,把人从重(chóng)复性的观察活动中解脱出来,同时拓展(zhǎn)他们的观测范围。
举(jǔ)个例(lì)子,像(xiàng)是监控非法狩猎和伐木的情况,需要从较大的视角上(shàng)长期频繁观察。这项任务(wù)非常适合能够在树林中穿梭(suō)的(de)小型无人机,如果采用了集体合(hé)作的方式(shì),就能解(jiě)决(jué)负(fù)载能力有限(xiàn)的问题。比如,集体合作时可以让一些(xiē)无人机(jī)装载小型摄像设备,另一些装(zhuāng)载GPS,另(lìng)一些携带二氧化碳探测仪(yí)等传感器,它们组成的集(jí)体则用于发(fā)现潜在的人类活(huó)动迹(jì)象。
它没准会改变日后(hòu)无(wú)人机应(yīng)用的(de)思(sī)路。而这(zhè)一切都是从社(shè)群(qún)昆(kūn)虫身上得到的启发(fā)。
从蚂蚁身(shēn)上学习协作策略
蚂蚁社群(qún)的一个重要特点是,它们特别缺乏自我的概念,专注于做对(duì)群体最有利的事,因此分工协作(zuò)的模(mó)型干扰因素更(gèng)少。另外(wài)它(tā)们在地(dì)上爬动,方便(biàn)观察,这让蚂蚁兵(bīng)团(tuán)成为无(wú)人机协作的模仿原型之一。
比(bǐ)如,Pratt和Vijay在合作的项目就是要了解(jiě)这些蚂蚁在(zài)合(hé)作中如何(hé)决定谁朝(cháo)哪个方(fāng)向(xiàng)用力(lì)。Stephen Pratt是来自亚利桑那大学生命科学(xué)学(xué)院的助理教授,运营(yíng)着Pratt实验室研(yán)究蚂蚁活动;Vijay Kumar则是宾夕法尼亚大学的机械工程(chéng)和应用(yòng)力学(xué)学院的教(jiāo)授。他(tā)也(yě)是正在设计社群协作(zuò)无人机的团队负责人,在GRASP(通(tōng)用机器(qì)人,自动化,传感和感应)实验室(shì)进行工作。
Pratt和Vijay设计了一个四只脚装有传感器的轻装置(zhì),引(yǐn)诱蚂(mǎ)蚁来运输它(tā),借机观察它们如何当(dāng)即判断用力的方向(xiàng),并(bìng)诱使它们表现出(chū)各(gè)自在群体中(zhōng)的角色。
基本上,根据他们的研究结果,蚂蚁们是通过不断地试(shì)错找到中间(jiān)的平衡(héng)点。在协作过程中(zhōng),产生反(fǎn)作用的(de)一方会迅速调(diào)整,Vijay说“就像几个蒙着眼(yǎn)睛的人搬动一张桌子”。
目前,Vijay已经(jīng)可以把这种即(jí)时学(xué)习的策(cè)略用在(zài)陆地使用(yòng)的机器人身上,最终他希望能够对飞(fēi)行机器人起作用。
从(cóng)甲壳虫身(shēn)上学习飞行技巧
除了运输(shū)策略以外,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(xué)伯克(kè)利(lì)分校的Michel Maharbiz认为,研(yán)究飞行就(jiù)要让(ràng)昆虫在(zài)飞行状态下(xià)收集数据。他在甲壳虫背(bèi)上放了微小的芯片,把电(diàn)极(jí)插入(rù)大脑(nǎo)和肌肉中。通过芯片上的(de)无线设备接受信号,干扰(rǎo)甲壳(ké)虫(chóng)飞行,观察它(tā)怎样做(zuò)出反应、保持飞(fēi)行(háng)姿态。
科(kē)学家(jiā)们想要(yào)从昆(kūn)虫的活动中寻找启发,就像(xiàng)过去怀特(tè)兄弟受到鸟(niǎo)类启发而发明了(le)飞机一样(yàng)。但是(shì)飞机最终(zhōng)没(méi)有扑扇翅膀升空,无人机的协作同样不仅只是“仿生”。
当成群的无人机从(cóng)实验(yàn)室环境中飞到自然环(huán)境(jìng)中,没有了布置在(zài)室内空(kōng)间各个(gè)角落里的(de)感应设备,如何才能通(tōng)过GPS方便地操(cāo)作他们进行写(xiě)作,完成指(zhǐ)定的任务?而(ér)群体协作的无人机,还需要一(yī)套协作方案,使它们能够通过成(chéng)员(yuán)位置来独立(lì)灵活(huó)判断任务,而不(bú)是由中央控制程序统一协调。这些都是在研究了昆(kūn)虫(chóng)行为之(zhī)后,把(bǎ)实(shí)验(yàn)室成果搬到(dào)户外之(zhī)前要(yào)解决的(de)重要的问(wèn)题。
目前的有利(lì)条件是,无人机的(de)成本——从传感器到储存芯片——已经在飞速下降。在未(wèi)来监管的问题也会逐步解决。
技术成熟(shú)之后,生(shēng)物学家想要的数(shù)据会由无人机大量收集,就像目前的数据处理已经大量依赖数据库和(hé)云计算(suàn)中心(xīn),而科(kē)学研究有可能因此经历重要的变化。

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