5年前，Richard Guiler和Tom Vaneck坐在一間距離辦公室只有幾條街的咖啡館里，試圖將自己的大腦從工作中解脫出來(lái)。在將近1年的時(shí)間里，這兩名工程師一直在嘗試開(kāi)發(fā)一種耐用的無(wú)人機(jī)——這種無(wú)人機(jī)要能自動(dòng)規(guī)避障礙物，在建筑物內(nèi)部靈巧地飛行，即使是面對(duì)狂風(fēng)暴雨也無(wú)所畏懼。

他們?cè)?jīng)造過(guò)固定翼原型機(jī)，但是在安裝了能幫助其避開(kāi)障礙物的足夠數(shù)量的傳感器之后，它就變得太重而無(wú)法飛行。他們也曾造過(guò)直升機(jī)型的原型機(jī)，但是它的旋翼經(jīng)常會(huì)和樹(shù)枝、電線攪在一起。他們甚至還造過(guò)一個(gè)帶有發(fā)動(dòng)機(jī)的氣球，結(jié)果卻沮喪地發(fā)現(xiàn)只要一陣來(lái)自下方的微風(fēng)就能讓它失去控制。

就在他們倆坐在咖啡館里喝著咖啡的時(shí)候，一只蒼蠅一頭撞在了窗戶上。如果是無(wú)人機(jī)發(fā)生了這樣的情況，即使不會(huì)悲慘地解體，也會(huì)一頭栽到地面上，但是這只蒼蠅卻迅速?gòu)淖矒糁谢謴?fù)過(guò)來(lái)，略微調(diào)整了姿勢(shì)后再次撞向玻璃。

“這一定是上帝派來(lái)的使者，來(lái)為陷入困境中的我們提供靈感?！痹?/span>Physical Sciences公司工作的Vaneck說(shuō)，“我們意識(shí)到，假如我們能造出一套撞上障礙物之后能迅速恢復(fù)的人造系統(tǒng)，那么一切問(wèn)題就全解決了?！?/span>

借用自然界的設(shè)計(jì)的思想早就不是什么新鮮事，在飛行領(lǐng)域就更是如此。在古希臘時(shí)期，設(shè)計(jì)師代達(dá)羅斯就曾為自己和兒子裝上翅膀（遺憾的是，他們裝上的翅膀?qū)τ趲椭麄冿w起來(lái)幾乎沒(méi)起任何作用）。達(dá)·芬奇也曾繪制過(guò)人力直升機(jī)的草圖。但是直到近代，發(fā)明家們?nèi)砸驗(yàn)槿狈諝鈩?dòng)力學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，而無(wú)法將各種設(shè)計(jì)圖變成真實(shí)的機(jī)械裝置。隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家已經(jīng)揭開(kāi)了自然的許多秘密，之后工程師們制造出了模擬自然界昆蟲(chóng)、真正能夠飛起來(lái)的飛行器，一個(gè)全新的機(jī)型——微型無(wú)人機(jī)出現(xiàn)了。

“在我們之前，大自然已經(jīng)用了幾百萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)完成偉大的設(shè)計(jì)?！辈剪斀鹚箤W(xué)會(huì)的Peter Singer說(shuō)，“未來(lái)機(jī)器人很可能與今天的機(jī)器人沒(méi)有任何相似之處，它們將更像大自然中的各種動(dòng)物和昆蟲(chóng)?！?/span>

揭開(kāi)撲翼飛行之謎

盡管昆蟲(chóng)和它們的近親占地球上所有已知物種數(shù)量（約90萬(wàn)種）的80%，但是很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，對(duì)人類來(lái)說(shuō)它們的飛行原理始終是個(gè)謎。傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)依靠流過(guò)機(jī)翼的穩(wěn)定氣流來(lái)提供升力，直升機(jī)和螺旋槳飛機(jī)的飛行原理也與此類似。但是當(dāng)昆蟲(chóng)的翅膀上下拍打的時(shí)候，翅膀附近的氣流是在不斷變化的。而且蜜蜂和其他很多昆蟲(chóng)的短粗翅膀受到的升力之大也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)理論所能解釋的范疇。

要了解撲翼飛行的原理，科學(xué)家不得不從細(xì)微之處著手進(jìn)行觀察。上世紀(jì)70年代，劍橋大學(xué)的丹麥籍動(dòng)物學(xué)家Torkel Weis-Fogh利用高速攝像機(jī)分析處于懸停狀態(tài)的昆蟲(chóng)翅膀的動(dòng)作，并將獲得的資料與昆蟲(chóng)的形態(tài)特征進(jìn)行對(duì)比。之后，他總結(jié)歸納出了昆蟲(chóng)飛行的一條通用定律，其中包括Weis-Fogh效應(yīng)。當(dāng)昆蟲(chóng)的翅膀聚攏、再分開(kāi)從上向下?lián)]動(dòng)時(shí)，會(huì)制造出一個(gè)低壓區(qū)。之后周圍的空氣會(huì)涌入這個(gè)低壓區(qū)，形成卷吸渦。這個(gè)渦流在昆蟲(chóng)撲打翅膀的間隙制造出足以托起昆蟲(chóng)的升力。他還猜測(cè)，昆蟲(chóng)通過(guò)偏轉(zhuǎn)翅膀和改變翼尖的角度，也許還能制造出額外的升力。

20年后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類的計(jì)算能力終于跟上了理論發(fā)展的腳步，科學(xué)家也開(kāi)始將理論應(yīng)用于人造系統(tǒng)之中。Weis-Fogh的學(xué)生、劍橋大學(xué)的動(dòng)物學(xué)家Charles Ellington制作了一個(gè)能精確模擬天蛾翅膀運(yùn)動(dòng)的機(jī)械翼，并將其放在充滿了煙霧的風(fēng)洞里，這樣當(dāng)這個(gè)機(jī)械翼?yè)]動(dòng)的時(shí)候，他就能進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析。在加州大學(xué)伯克利分校，神經(jīng)生物學(xué)家Michael Dickinson制造了一個(gè)機(jī)械果蠅翅膀，它能模擬果蠅翅膀的自然運(yùn)動(dòng)。他將這個(gè)機(jī)械翅膀浸沒(méi)在一個(gè)裝有2噸礦物油的油罐中，對(duì)其運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。盡管這些研究人員彼此之間并沒(méi)有聯(lián)系，但是他們所采取的方法卻驚人地一致。

1998年，Dickinson與電子工程師Ron Fearing將這些理論應(yīng)用在了蒼蠅大小的機(jī)器人身上，并獲得了美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局250萬(wàn)美元的資金支持。他們專門(mén)指定了一個(gè)名叫Rob Wood的研究生去幫助開(kāi)發(fā)用來(lái)制造和裝配微小部件的技術(shù)。Dickinson和Fearing還進(jìn)行了交流，來(lái)決定昆蟲(chóng)的哪些空氣動(dòng)力學(xué)特性需要在機(jī)器身上重現(xiàn)?！吧n蠅在飛行的時(shí)候，翅膀的運(yùn)動(dòng)軌跡是非常復(fù)雜的，具有很多精巧的特性。”Wood說(shuō)，“Dickinson告訴我們，最重要的特性是卷吸渦，此外還有另外一些空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。”

2004年Wood畢業(yè)之后，在哈佛大學(xué)組建了自己的實(shí)驗(yàn)室。在此之前，他已經(jīng)利用具有極高能量效率的新材料去模擬蒼蠅翅膀的運(yùn)動(dòng)，制造出了一種模擬昆蟲(chóng)、用來(lái)探測(cè)身體旋轉(zhuǎn)的傳感器的陀螺儀系統(tǒng)，還發(fā)明了一種能在微小尺度上制造復(fù)雜系統(tǒng)的方法。對(duì)他來(lái)說(shuō)，接下來(lái)要做的就是將所有這些整合到一起，制造出昆蟲(chóng)大小的飛行機(jī)器人。

將謎底應(yīng)用于機(jī)器蟲(chóng)

2006年，在一個(gè)滴水成冰的日子，Wood來(lái)到自己位于哈佛大學(xué)牛津街的實(shí)驗(yàn)室。在工作臺(tái)上放著一個(gè)60毫克重的機(jī)器蟲(chóng)，這個(gè)機(jī)器人的胸部寬度與一只家蠅相仿，但是翼展卻長(zhǎng)達(dá)3厘米。機(jī)器蟲(chóng)通過(guò)線纜連接在一個(gè)1.8米高、里面塞滿了高壓放大器和各種數(shù)據(jù)收集設(shè)備的機(jī)架上。Wood仔細(xì)檢查了各種連接和信號(hào)后接通了電源，他的這個(gè)微小創(chuàng)造物的翅膀開(kāi)始顫動(dòng)，幾秒鐘之后機(jī)器蟲(chóng)飛到了空中。他興奮得手舞足蹈。

為了這一天的到來(lái)，他已經(jīng)辛勤工作了7年，之后又用了5年才取得了另一個(gè)重大的突破。2012年夏天的某一天，凌晨3點(diǎn)時(shí)，他收到了一封標(biāo)志著一個(gè)里程碑式突破的郵件。這封郵件來(lái)自他的一名研究生。在郵件中，這名研究生上傳了一段實(shí)驗(yàn)室最近的原型機(jī)RoboBee的視頻。在視頻中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的RoboBee飛到空中，并進(jìn)行了人類歷史上首個(gè)昆蟲(chóng)尺度機(jī)器的懸停和受控飛行。

“我徹夜未眠?！?/span>Wood說(shuō)，“第二天早上，實(shí)驗(yàn)室的所有人一起舉杯慶祝。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這件事最重大的意義在于，它證明了我們選擇的方向是正確的。假如沒(méi)有這一天，那么只能說(shuō)明我們將之前所有的時(shí)間都浪費(fèi)在了錯(cuò)誤的地方?！?/span>

Wood開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)微型飛行機(jī)器人的新時(shí)代。與此同時(shí)，其他一些研究人員則利用撲翼動(dòng)力學(xué)大幅減小了能攜帶一定載荷的飛行機(jī)器蟲(chóng)的尺寸。2011年，加利福尼亞的AeroVironment公司展示了他們研制的“納米蜂鳥(niǎo)”。這種飛行機(jī)器蟲(chóng)的翼展為16.5厘米，能夠垂直起飛，即使在強(qiáng)風(fēng)中也能水平飛行和懸停。它的質(zhì)量只有19克，卻能攜帶相機(jī)、通信系統(tǒng)以及供能設(shè)備。

因佐治亞理工學(xué)院的研究而成立的公司TechJect，近期發(fā)布了一款翼展為15厘米的機(jī)器蜻蜓。它的質(zhì)量只有5.5克，能攜帶模塊化的電子設(shè)備，具備拍攝高清視頻和進(jìn)行無(wú)線通信的能力。這種機(jī)器蜻蜓利用了共振的空氣動(dòng)力學(xué)原理。當(dāng)翅膀以效率最高的頻率——空氣密度、翅膀拍打的速度、結(jié)構(gòu)的質(zhì)量完美匹配——運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)制造出連續(xù)的渦流?！霸谒浇娜四苈?tīng)到類似蜂鳥(niǎo)或者蜜蜂懸停時(shí)發(fā)出的嗡嗡聲?！?/span>TechJect的總裁Jayant Ratti說(shuō)。通過(guò)共振效應(yīng)，撲翼飛行器的效率有了極大的提高，以最小的能量消耗制造出最大的升力。

Ratti去年已經(jīng)將產(chǎn)品進(jìn)行了商業(yè)化，將其出售給業(yè)余愛(ài)好者和部分專業(yè)用戶，并且計(jì)劃在今年年底推出另外一個(gè)商業(yè)化版本。“市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的接受程度是顯而易見(jiàn)的?！?/span>Ratti說(shuō)，“目前推出的產(chǎn)品并不成熟，我們還在利用收集到的反饋對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)?！?/span>

打造更堅(jiān)固的無(wú)人機(jī)

小而脆弱的無(wú)人機(jī)無(wú)法解決預(yù)料之外的撞擊所帶來(lái)的損壞問(wèn)題，因此Guiler和Vaneck將注意力集中在了耐用性上。在酒吧里注意到了蒼蠅之后，這兩名工程師開(kāi)始尋找有模擬昆蟲(chóng)飛行經(jīng)驗(yàn)的人。他們開(kāi)始同Wood合作，后者的實(shí)驗(yàn)室也加入了哈佛大學(xué)的懷斯生物啟發(fā)工程研究所，并共同申請(qǐng)了美國(guó)空軍的資金支持。Wood的團(tuán)隊(duì)利用圖像捕捉系統(tǒng)記錄并分析了蒼蠅在撞上玻璃之前、撞擊過(guò)程中，以及之后的行為。通過(guò)近距離觀察蒼蠅身體各個(gè)部位的位置，他們能夠測(cè)量出蒼蠅翅膀和腿的運(yùn)動(dòng)頻率和扭轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)Guiler和Vaneck用慢鏡頭回放拍攝的視頻時(shí)，他們驚呆了?！拔以疽詾樯n蠅會(huì)翻滾并損失一定的高度，”Vaneck說(shuō)，“但事實(shí)上蒼蠅以非常優(yōu)雅的動(dòng)作重新恢復(fù)了姿態(tài)，而且所用的時(shí)間非常短，令人目瞪口呆?！?/span>

Guiler和Vaneck分析了蒼蠅身體幾何構(gòu)造上的特質(zhì)。蒼蠅外骨骼上的可折疊部位起到了振動(dòng)緩沖器的作用?？雌饋?lái)，它似乎能預(yù)見(jiàn)到即將發(fā)生的碰撞。在碰撞前，蒼蠅會(huì)以一個(gè)能確保它的腿首先接觸到玻璃的角度飛行。在碰撞發(fā)生的瞬間，它的翅膀會(huì)緊緊貼住身體，停止運(yùn)動(dòng)。每次撞上玻璃，蒼蠅都能像條件反射一樣地將碰撞的動(dòng)量釋放掉并跌落。但是在幾毫秒內(nèi)，蒼蠅就能重新恢復(fù)穩(wěn)定的位置，之后它的翅膀重新開(kāi)始揮動(dòng)，讓它進(jìn)入受控的懸停狀態(tài)。“在撞上玻璃之后，只要揮動(dòng)兩三次翅膀就能恢復(fù)原有的姿態(tài)，這是非常令人震驚的能力。”Vaneck說(shuō)，“沒(méi)有任何人造系統(tǒng)能做到這一點(diǎn)。”

這兩名工程師開(kāi)始利用從蒼蠅身上獲得的這些靈感，來(lái)指導(dǎo)開(kāi)發(fā)更堅(jiān)固的機(jī)器蟲(chóng)。首先，機(jī)器人的身體必須防震，而且翅膀必須能獨(dú)立控制。于是它們?yōu)橐环N四旋翼無(wú)人機(jī)重新設(shè)計(jì)了外殼，這種外殼上帶有吸震器——在不同的部分之間安裝有用碳纖維和塑料制造的橡膠阻尼器。4個(gè)旋翼中的每一個(gè)都配有獨(dú)立的電機(jī)，以模擬自然界中那些帶有4個(gè)翅膀的昆蟲(chóng)，它們通過(guò)翅膀的不同速度來(lái)獲得額外的控制。當(dāng)無(wú)人機(jī)失去姿態(tài)或者撞上障礙物之后，它的機(jī)載電腦能迅速計(jì)算出當(dāng)前位置與預(yù)設(shè)路徑之間的偏差，之后自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)能條件反射般地使其恢復(fù)穩(wěn)定姿態(tài)。

去年2月，他們將這種名為InstantEye的無(wú)人機(jī)送到了哥倫布市附近的貝寧堡，去參加一年一度的陸軍遠(yuǎn)征勇士試驗(yàn)。在這里，參與試驗(yàn)的士兵在它的幫助下完成了一系列預(yù)設(shè)任務(wù)。這些士兵給了它“綠色”評(píng)級(jí)，這也是它能獲得的最高等級(jí)的評(píng)價(jià)。

迎接未來(lái)的挑戰(zhàn)

盡管第一代微型無(wú)人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，但是重要的工程挑戰(zhàn)依然存在。對(duì)Wood來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是能源問(wèn)題。與體積大得多的InstantEye、納米蜂鳥(niǎo)和Dragonfly不同，RoboBees必須與外部能源連接在一起?，F(xiàn)在Wood正在嘗試?yán)梦⑿椭圃旒夹g(shù)減小機(jī)載電池的尺寸，此外他還與哈佛大學(xué)、華盛頓大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員一起研發(fā)微型燃料電池、無(wú)線能量傳輸裝置等新型能源裝置。他預(yù)計(jì)，再過(guò)一兩年時(shí)間，帶有獨(dú)立能源系統(tǒng)的驗(yàn)證機(jī)就能飛上天。

Guiler和Vaneck的目標(biāo)則是用撲翼取代無(wú)人機(jī)上的旋翼。盡管在遇到強(qiáng)風(fēng)和輕度碰撞的時(shí)候，InstantEye的表現(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他無(wú)人機(jī)，但是它的旋翼經(jīng)常會(huì)與樹(shù)枝和電線纏在一起?！拔覀兿雽⒁恍┬聳|西快速引入這個(gè)領(lǐng)域，”Guiler說(shuō)，“鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)這些依靠撲翼飛行的動(dòng)物更適應(yīng)這個(gè)障礙物不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的世界——樹(shù)是運(yùn)動(dòng)的，樹(shù)枝也是運(yùn)動(dòng)的。即使它們陷入困境，也能迅速?gòu)闹袛[脫出來(lái)。我們意識(shí)到，要戰(zhàn)勝這個(gè)不斷變化的世界，撲翼飛行是惟一可行的解決方案?！?/span>

開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器蟲(chóng)飛行時(shí)代的Dickinson則在華盛頓大學(xué)創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，利用先進(jìn)的成像系統(tǒng)研究昆蟲(chóng)的飛行。早期的高速攝像機(jī)每秒能拍攝3000幀圖像?！?/span>15年前，高速攝像機(jī)拍攝的昆蟲(chóng)比較模糊，”他說(shuō)。今天，高速攝像機(jī)每秒鐘能夠拍攝7500幀圖像，而且還帶有紅外功能。

實(shí)際上，Dickinson已經(jīng)不僅僅是在分析飛行，他還利用電子設(shè)備記錄昆蟲(chóng)大腦中的神經(jīng)活動(dòng)。他利用會(huì)引發(fā)它們動(dòng)作的視覺(jué)刺激——例如一幅捕食者的照片——來(lái)獲取強(qiáng)烈的神經(jīng)信號(hào)，并將獲得的數(shù)據(jù)與飛行模擬系統(tǒng)相連接?！拔覀冮_(kāi)始了解，在飛行中大腦是如何處理信息，以及感覺(jué)信息是如何轉(zhuǎn)換為動(dòng)作的?！?/span>Dickinson說(shuō)，“Wood的團(tuán)隊(duì)所利用的僅僅是動(dòng)物使自己保持在空中的最基本的本能?，F(xiàn)在我們要更進(jìn)一步，去理解蒼蠅是如何轉(zhuǎn)向和制定策略的?！?/span>

了解大自然如何創(chuàng)造出優(yōu)質(zhì)傳感器后，人類可能研發(fā)出更輕、更智能的無(wú)人機(jī)。當(dāng)這一天到來(lái)的時(shí)候，它們的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蟠笤黾印?/span>Guiler和Vaneck計(jì)劃將InstantEye出售給軍隊(duì)和執(zhí)法部門(mén)。英國(guó)軍隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始使用一種名為黑蜂、手動(dòng)發(fā)射的微型無(wú)人機(jī)，在阿富汗搜尋武裝分子。微型無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域同樣有巨大的應(yīng)用前景。它們能讓警方和特警無(wú)需進(jìn)入建筑物內(nèi)部就能收集證據(jù)，并在摩天大廈之間（經(jīng)常出現(xiàn)陣風(fēng)）巡邏飛行。

Wood為RoboBees構(gòu)想了更多的應(yīng)用。1000個(gè)RoboBees的重量只有0.45千克，能夠很容易被攜帶到災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)并釋放出去，用來(lái)尋找幸存者；它還能幫助執(zhí)法部門(mén)監(jiān)控交通和環(huán)境；科研人員也能用它在野外收集數(shù)據(jù)。

有一點(diǎn)可以確定的是，無(wú)論應(yīng)用到何處，微型無(wú)人機(jī)已經(jīng)不再是僅存在于工程師大腦中的虛幻夢(mèng)想。它們正在變得更加靈巧、耐用和智能。