昆虫无人机的崛起

五年前，理查德·吉勒和汤姆·瓦内克坐在离办公室几个街区远的一家酒吧里，试图让自己忘记工作。近一年来，这两位工程师一直在努力开发一种耐用的无人机，可以躲避物体、在建筑物内导航并在暴风雨天气中飞行。他们尝试过固定翼模型，但由于增加了足够多的传感器来有效检测障碍物，它们太重了，无法飞行。他们尝试过直升机，但旋翼总是被树枝和电线缠住。他们甚至制造了一个机动气球；只需一阵微风就能把它吹偏。

当他们坐着喝啤酒时，吉勒和瓦内克看到一只苍蝇撞上了窗户。这只苍蝇并没有像无人机那样在接触时散架，而是从玻璃上弹了起来，然后又恢复了原状。然后它又撞了一次。

“这是一个顿悟，”在马萨诸塞州研发公司 Physical Sciences Inc. (PSI) 工作的 Vaneck 说道。“我们意识到，如果我们能制造出一种可以撞击物体、恢复并继续运行的人造系统，那就是一场革命。”

借鉴自然的设计理念并非新鲜事物，尤其是在飞行方面。古希腊人想象代达罗斯为他的儿子制作翅膀（不幸的是，效果有点太好了）。列奥纳多·达芬奇绘制了人力扑翼机的草图。但直到最近，发明家们还缺乏空气动力学专业知识，无法将图表变成像苍蝇或蜜蜂这样常见的生物的机械版本。随着技术的进步，科学家已经破译了许多自然界的秘密。工程师们已经开发出第一种受昆虫启发的飞行器，为一种全新的机器打开了大门：微型无人机。

位于华盛顿特区的布鲁金斯学会研究员彼得·辛格 (Peter Singer) 表示：“大自然在伟大的设计方面比我们领先了几亿年。明天的机器人看起来将与今天完全不同。更有可能的是，它们看起来就像我们周围的动物。”

揭开飞行之谜

尽管昆虫及其近亲约占世界动物种类的 80%（已知种类约 90 万种），但它们的飞行机制长期以来一直是个谜。传统的固定翼飞机依靠机翼上方的稳定气流。直升机和旋翼也是如此。但当昆虫的翅膀来回拍动时，它们周围的空气也在不断变化。蜜蜂和其他昆虫的短翅膀举起的重量远远超过使用传统稳态空气动力学原理可以解释的重量。

工程师们开发出了第一种受昆虫启发的飞行器，为一种全新类型的机器——微型无人机打开了大门。

在科学家理解扑翼飞行之前，他们首先必须观察其最细微的细节。20 世纪 70 年代，剑桥大学的丹麦动物学家托克尔·魏斯-福格 (Torkel Weis-Fogh) 使用高速摄影技术分析了悬停昆虫的确切翅膀运动，并将其与昆虫的形态特征进行了比较。据此，他提出了昆虫飞行的一般理论，其中包括他所谓的“拍击和甩动效应”。当昆虫翅膀在上下拍动之间拍合然后分开时，这种运动会将空气甩出并形成一个低压袋。然后空气冲回袋中，形成旋涡。这个涡流产生了在翅膀拍动之间将昆虫升起所需的力。魏斯-福格假设，翅膀的角度和旋转可能会产生类似的涡流，从而提供额外的升力。

二十年后，计算技术赶上了理论，科学家开始将这些原理应用于人造系统。剑桥动物学家、前 Weis-Fogh 学生 Charles Ellington 制造了一个可以精确模仿天蛾运动的机器人翅膀。他把它放在一个充满烟雾的风洞中，这样当它扇动时，他就可以分析流体动力学。在加州大学伯克利分校，神经生物学家 Michael Dickinson 制造了一个同样模仿苍蝇自然运动的果蝇机器人翅膀，并将其浸入一个两吨重的矿物油罐中。研究人员独立工作
以前所未有的特异性描述了飞行的空气动力学。

1998 年，迪金森和电气工程师罗恩·菲林获得了 DARPA 250 万美元的资助，将这些原理应用于苍蝇大小的机器人。他们指派了一位名叫罗布·伍德的研究生和其他人帮助开发制造微小部件的技术，并用镊子精心组装它们。迪金森和菲林还交流了学生应该尝试复制哪些空气动力学见解。“苍蝇的翅膀轨迹非常复杂。有很多微妙的事情会发生，”伍德说。“迈克尔告诉我们产生涡流和其他空气动力学效应的最重要特征。”

到 2004 年伍德毕业并在哈佛大学开设自己的实验室时，他已经帮助开创了一种使用极其节能的奇特材料来复制苍蝇翅膀运动的方法；他制造了一种可以模仿昆虫用来检测身体旋转的传感器的陀螺仪；他还发明了制造微型复杂系统的方法。剩下的就是把所有这些组装成一个可以工作的昆虫大小的飞行机器。

将洞察力转化为机器人

2006 年一个寒冷的日子，伍德来到哈佛大学牛津街的实验室。工作台上放着一个重量 60 毫克的机器人，翼展 3 厘米，胸部大小与家蝇差不多。它被拴在一个六英尺高的计算机机架上，机架上塞满了高压放大器和数据采集设备。伍德仔细检查了连接和信号。

然后他打开电源，看到他那小小的发明的翅膀开始振动，机器人在空中飞行了几秒钟。伍德高兴得跳了起来。他花了七年时间才达到这一水平，而他还需要五年时间才能实现下一个突破：沿着预先设定的路径持续飞行。2012 年夏天凌晨 3 点，一封带有这一里程碑证明的电子邮件出现在他的收件箱中。一名欣喜若狂的研究生发来一段关于实验室最新原型（现名为 RoboBee）的视频更新。视频显示，这台精密的机器升入空中，并首次在昆虫级飞行器中展示稳定悬停和可控飞行动作。

“那天晚上我整晚都没睡觉，”伍德说。“第二天早上，我们喝了香槟，但更多的是松了一口气。如果我们做不到这一点，我们就会意识到我们一直在做错事。”

伍德是微型机器人飞行领域的先驱；其他研究人员则利用扑翼动力学来缩小可携带有效载荷的飞行器的尺寸。2011 年，总部位于加州的 AeroVironment 公司演示了其纳米蜂鸟。该飞行器的翼展为 16.5 厘米；它可以垂直和水平飞行，并在阵风中悬停。它的重量为 19 克——比一些 AA 电池还轻——但它携带了摄像头、通信系统和能源。

TechJect 是一家从佐治亚理工学院分离出来的公司，最近推出了一种翼展为 6 英寸的机器蜻蜓。它的重量为 5.5 克（比 25 美分硬币还轻），可以配备模块化电子设备包，实现高清视频和无线通信。TechJect Dragonfly 利用了名为共振的空气动力学原理。当翅膀以其最有效的频率拍打时（当空气密度、翅膀速度和生物体重达到完美平衡时就会发生这种情况），它们会产生涡流波，这些涡流会融合并不断增大。TechJect 总裁 Jayant Ratti 说，可以听到蜂鸟或蜜蜂的嗡嗡声。利用共振的扑翼无人机可显著提高能源效率，以最小的努力产生最大的升力。

拉蒂和他的团队去年将该产品推向了业余爱好者和早期采用者，他们计划在 2014 年底之前为其他市场推出另一个版本。“接受度非常高，”拉蒂说。“它还不是一项成熟的技术，但正在走向成熟。我们仍在收集反馈并不断改进。”

打造更坚固的无人机

小型、易碎的无人机无法解决意外撞击造成的损坏问题，因此 Guiler 和 Vaneck 专注于耐用性。在观察了酒吧里的苍蝇后，两位工程师寻找有复制昆虫飞行经验的人。他们与 Wood 合作，后者的实验室后来加入了哈佛大学的 Wyss 仿生工程研究所，他们一起申请了空军资助。Wood 的团队随后使用图像捕捉系统记录和分析苍蝇与玻璃碰撞前、碰撞中和碰撞后的行为。通过仔细观察苍蝇身体部位的位置，他们可以测量翅膀和腿的精确翻转和扭动。

当 Guiler 和 Vaneck 放慢影片速度时，他们被眼前的景象惊呆了。“我以为苍蝇会翻滚一下，然后失去很多高度，”Vaneck 说。“但苍蝇恢复得非常优雅。它发生得如此之快；令人惊叹。”

吉勒和范内克将注意力集中在苍蝇身体的特殊几何形状上。它的外骨骼有类似手风琴的部分，可以起到减震器的作用。它似乎还能感知即将发生的碰撞。就在撞击前，苍蝇以一定的角度飞行，确保它的腿先接触到玻璃。在那一瞬间，翅膀僵住了。每次苍蝇撞到窗户上，它都会本能地屈服于撞击的动量并坠落。但在几毫秒内，苍蝇的重心似乎将苍蝇拉回到一个稳定的位置。然后它的翅膀再次扇动，推动昆虫进入可控的悬停状态。“它可以在两三次翅膀拍打中撞击并恢复，这是惊人的，”范内克说。“没有人造系统可以做到这一点。”

两位工程师利用这些见解指导了弹性飞行器的开发。机身需要防震，机翼需要独立控制。因此，他们设计了一个四旋翼飞行器的外壳，外壳中装有减震器——碳纤维和塑料部件之间的橡胶减震器。他们给四个旋翼分别配备了自己的马达，以模仿交替的机翼速度，为四翼昆虫提供出色的控制。当飞行器被吹离位置或撞到障碍物时，其计算机会检测到其当前位置与其编程飞行路径之间的差异，自动驾驶仪会本能地启动以恢复稳定性。

去年 2 月，工程师们将他们的无人机 InstantEye 送到了佐治亚州哥伦布附近的本宁堡，进行年度陆军远征勇士实验。一个步兵排使用它来帮助完成一系列指定任务。士兵们给它评了“绿色”等级，这是最高等级之一。

克服未来的障碍

随着第一代微型无人​​机进入市场，仍然存在重大的工程挑战。对于伍德来说，最大的障碍是电源。与体型更大的 InstantEye、Nano Hummingbird 和 Dragonfly 无人机不同，RoboBees 必须连接到外部电源。伍德正在利用微加工技术尝试缩小机载电池，并与哈佛大学、华盛顿大学和麻省理工学院的研究人员合作，研发新型电池、微型燃料电池和无线电力传输。他估计，距离他的第一次自主供电演示只有一两年的时间了。

吉勒和瓦内克计划用扑翼取代四旋翼飞行器上的螺旋桨。与其他无人机相比，InstantEye 在从阵风和轻微碰撞中恢复方面要好得多，但它的螺旋桨仍然会缠在树枝或电线上。“我们想尽快将一些东西带到现场，”吉勒说。“但我们发现，扑翼鸟类和昆虫非常适合有动态障碍物的环境——树木在移动，树枝也在移动。如果它们被卡住了，它们会通过自己的运动脱身。它们会冲出去。我们意识到扑翼是唯一可行的方法。”

RoboBees 可以搜寻灾难现场的幸存者、监控交通或为农作物授粉。

还有迪金森，他发起了制造机器苍蝇的项目。如今，他在华盛顿大学管理着一个实验室，使用先进的成像系统研究昆虫的飞行。早期的高速摄像机每秒可拍摄约 3,000 帧。“15 年前，苍蝇看起来就像模糊的小不明飞行物，”他说。现在生物学家使用的摄像机可以以每秒 7,500 帧的速度运行，这比研究人员曾经可以使用的速度要高得多，而且可以在红外光下工作。（更新：这句话已重写以澄清。其他相机可以达到更高的帧率。 ）迪金森还超越了分析飞行；他使用电极记录昆虫大脑中神经元的活动。他将它们连接到飞行模拟系统，并向它们展示视觉刺激（例如捕食者的图片），从而引起它们做出反应。“我们可以开始了解大脑中的神经元如何在飞行中处理信息，以及感官信息如何转化为行动，”迪金森说。 “让罗布·伍德的研究成为可能的正是动物在空中保持飞行的基本机制。现在我们要进一步了解苍蝇如何操纵和飞行。”

了解大自然如何制造出更优越的传感器，可以制造出更轻便、更智能的无人机。随着这种情况的发生，它们的应用范围将不断扩大。吉勒和范内克计划将 InstantEye 出售给军方和执法部门。英国军队最近开始使用微型无人机，一种名为“黑黄蜂”的手动发射直升机，来侦察阿富汗的叛乱分子。微型无人机可能还有更接近本土的用途。它们可以让警察和特警队在办公楼或银行内以及摩天大楼之间收集镜头，因为这些地方通常会刮风。

伍德设想了 RoboBees 的更多用途。他指出，一箱约 1,000 只机器人的重量为一磅。它们可以轻松运送到灾难现场并被派去搜寻幸存者。它们还可以监测交通或环境并帮助农作物授粉。研究科学家可以使用它们在现场收集数据。

无论其用途如何，微型无人机已不再是工程师达芬奇式的梦想。它们正在起飞——敏捷、有弹性，并且由自身动力驱动。

亚当·皮奥雷 (Adam Piore) 为《大众科学》撰写的最后一篇专题文章，有关专家，发表于 2013 年 3 月刊。

本文最初刊登于《大众科学》2014 年 1 月刊。