無(wú)人機(jī)的昆蟲時(shí)代

    雖然昆蟲及其近親占全世界所有物種的80%———已知種類就多達(dá)約90萬(wàn)種———然而，它們的飛行機(jī)制在很長(zhǎng)時(shí)間里一直是謎。傳統(tǒng)固翼飛機(jī)依靠機(jī)翼上方穩(wěn)定的氣流，直升機(jī)旋翼也是如此。然而，當(dāng)昆蟲來(lái)回拍動(dòng)翅膀，周圍的空氣不斷變化。蜜蜂等昆蟲的短小翅膀所承載的重量，用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)原理無(wú)法解釋。

    在科學(xué)家能夠解釋撲翼飛行原理之前，他們首先需要觀察最微小的細(xì)節(jié)。上世紀(jì)70年代，劍橋大學(xué)的丹麥動(dòng)物學(xué)家托克爾·維斯-福格用高速照相技術(shù)分析了飛行昆蟲的翅膀運(yùn)動(dòng)，并和昆蟲的形態(tài)特征進(jìn)行比較。據(jù)此，他得出了昆蟲飛行的普遍原理。昆蟲在上下拍動(dòng)翅膀時(shí)，雙翅靠近又拉開，這一運(yùn)動(dòng)將空氣撥開，創(chuàng)造一個(gè)低壓氣穴。然后，旁邊的空氣沖入這個(gè)氣穴，形成漩渦。漩渦創(chuàng)造了足以在拍翅間歇支撐昆蟲的力量。維斯-福格指出，翅膀的旋轉(zhuǎn)和角度或許可以創(chuàng)造類似的空氣漩渦，提供額外升力。

    20年后，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展了這一理論，科學(xué)家們開始將這些原理用于人造系統(tǒng)。劍橋大學(xué)的動(dòng)物學(xué)家，維斯-福格從前的學(xué)生查爾斯·艾靈頓制造了一對(duì)可以準(zhǔn)確模仿天蛾飛行運(yùn)動(dòng)的機(jī)械翅膀。他將其放進(jìn)一個(gè)充滿煙的風(fēng)洞，從而分析翅膀拍動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)。在加州大學(xué)伯克萊分校，神經(jīng)生物學(xué)家邁克爾·迪肯森仿照果蠅飛行的自然運(yùn)動(dòng)制造了一對(duì)機(jī)械翅膀，將其放入一個(gè)裝滿兩噸礦物油的水箱。世界各地的科學(xué)家們逐步揭開了昆蟲飛行空氣動(dòng)力學(xué)的諸多細(xì)節(jié)。

    迪肯森和電氣工程師羅恩·菲爾林在1998年贏得了D A R PA (美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局)20萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金，致力于將這些原理應(yīng)用于設(shè)計(jì)制造微型飛行器。他們招募了研究生羅伯·伍德等人，幫助開發(fā)制造微型零件的技術(shù)，然后用鑷子費(fèi)力地將這些零件組裝起來(lái)。迪肯森和菲爾林還告訴他們必須達(dá)到的重要空氣動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。”蒼蠅翅膀運(yùn)動(dòng)的軌跡非常復(fù)雜，需要考慮眾多微妙的細(xì)節(jié)，”伍德說(shuō)，“邁克爾告訴我們，創(chuàng)造漩渦最重要的特征和其他空氣動(dòng)力學(xué)效用。”

    2004年，伍德研究生畢業(yè)，在哈佛擁有了自己的實(shí)驗(yàn)室，他幫助開創(chuàng)了用高能效的另類材料復(fù)制蒼蠅翅膀的方法；還設(shè)計(jì)建造了一個(gè)陀螺儀，用于模仿昆蟲監(jiān)控身體旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)器；他還發(fā)明了制造微型復(fù)雜系統(tǒng)的方法。接下來(lái)的一步是將零件組裝起來(lái)，造出一只昆蟲大小的飛行器。

    2006年一個(gè)寒冷的日子，伍德來(lái)到他的哈佛實(shí)驗(yàn)室。在工作臺(tái)上放著一個(gè)60毫克重的機(jī)器人，它有的翼展僅3厘米，身子大小相當(dāng)于普通蒼蠅。它連接著一個(gè)6英尺高的電腦架，上面放滿了高壓放大器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。伍德小心地檢查了連接和信號(hào)。

    然后，他打開電源，看著他創(chuàng)造的小東西的翅膀開始震動(dòng)，將機(jī)器帶入空中，并停留了幾秒鐘。伍德高興地跳了起來(lái)。走到這一步足足花了他七年時(shí)間，達(dá)到下一個(gè)技術(shù)突破———沿著設(shè)定的線路持續(xù)飛行———又將耗費(fèi)年。2012年夏，一封見(jiàn)證這一里程碑時(shí)刻的郵件于凌晨3點(diǎn)抵達(dá)他的郵箱。一名欣喜若狂的研究生發(fā)來(lái)的一段視頻，上面記錄了最新型號(hào)R oboB ee的試驗(yàn)進(jìn)展。視頻顯示，這個(gè)精巧的小機(jī)器升入空中，第一次展示昆蟲大小的飛行器也可以穩(wěn)定地盤旋，并按照指令行動(dòng)。

    “那天晚上我根本睡不著，”伍德說(shuō)，“第二天，我們開香檳慶祝這一重要時(shí)刻，更重要的是，這讓大家如釋重負(fù)：如果遲遲無(wú)法成功，這恐怕說(shuō)明，我們一直以來(lái)研究的方向都是錯(cuò)誤的。”

    伍德開創(chuàng)了微型飛行器的先例；其他的研究者則縮小了可載重仿昆蟲飛行器的大小。2011年，加州A eroV irom ent公司展示了它的納米蜂鳥。這款微型飛行器翼展16.5厘米；可垂直向、水平向飛行，可在大風(fēng)中保持懸停狀態(tài)。它重19克，比一些A A電池還輕，可攜帶一個(gè)微型相機(jī)、通信系統(tǒng)和能源。

    佐治亞理工學(xué)院的衍生公司T echJect不久前展示了一款機(jī)械蜻蜓。它翼展6英寸，重5.5克，可裝備模塊化電子包、拍攝高清視頻，進(jìn)行無(wú)線通信。T echJect的蜻蜓利用了叫做“共振”的空氣動(dòng)力學(xué)原理。當(dāng)翅膀以最優(yōu)頻率拍動(dòng)時(shí)——— 空氣密度、撲翼頻率和機(jī)體重量達(dá)到完美平衡——— 可創(chuàng)造波浪般連續(xù)的漩渦，相互融合擴(kuò)大。T echJect的總裁杰揚(yáng)·拉蒂解釋說(shuō)，這一效果在蜂鳥和蜜蜂身上的具體表現(xiàn)就是那種嗚嗚的轟鳴聲。撲翼無(wú)人機(jī)利用共振現(xiàn)象大幅節(jié)省能源，用最小的能耗創(chuàng)造最優(yōu)的升力。

    去年，拉蒂和他的團(tuán)隊(duì)向業(yè)余愛(ài)好者們推出了商業(yè)版的蜻蜓無(wú)人機(jī)。他們計(jì)劃于2014年針對(duì)另一塊市場(chǎng)發(fā)布新的版本。“顧客的接受度意外地好，”拉蒂說(shuō)，“這并非成熟的技術(shù)，但距離那一步并不遙遠(yuǎn)。我們還在接收反饋意見(jiàn)，逐步改進(jìn)。”

    解決了飛行和負(fù)重的問(wèn)題，昆蟲無(wú)人機(jī)依然太脆弱，遇到?jīng)_擊很容易損壞。因此，蓋勒和范內(nèi)克決定專注于耐用性。在觀察了酒吧內(nèi)蒼蠅撞玻璃的一幕后，兩位工程師決定求助于一位知道如何復(fù)制昆蟲飛行的專家。他們決定和伍德合作。此時(shí)，伍德的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)加入哈佛Wyss仿生工程研究所。兩支團(tuán)隊(duì)一起申請(qǐng)了美國(guó)空軍研究經(jīng)費(fèi)。伍德的小組用一套圖像捕捉系統(tǒng)記錄并分析蒼蠅在撞擊玻璃時(shí)刻和前后的飛行行為。

    當(dāng)蓋勒和范內(nèi)克放慢視頻播放速度后，不禁驚訝于看到的景象。“我原以為，蒼蠅會(huì)翻滾，并向下掉一大截，”范內(nèi)克說(shuō)，“但實(shí)際上，蒼蠅很優(yōu)雅地就恢復(fù)了正常姿態(tài)。這絕對(duì)是一個(gè)突破口。”

    蓋勒和范內(nèi)克瞄準(zhǔn)了蒼蠅身體的幾何結(jié)構(gòu)。它的外骨骼有著類似手風(fēng)琴褶皺一樣的結(jié)構(gòu)，可吸收沖擊力。它似乎還可感應(yīng)到即將發(fā)生的撞擊。就在撞擊前一瞬間，蒼蠅突然改變了飛行角度，確使腿部首先觸及玻璃。在同一時(shí)刻，翅膀停止拍動(dòng)。每次撞擊玻璃時(shí)，它都順應(yīng)撞擊的沖力，自然下落。但是就在微秒之間，蒼蠅的重心似乎立刻又將它拉回穩(wěn)定的位置。翅膀重新拍動(dòng)，恢復(fù)了正常飛行。“它在撞擊后可在兩三次翅膀拍動(dòng)的時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)，令人驚嘆，”范內(nèi)克說(shuō)，“沒(méi)有人造系統(tǒng)可以做到這個(gè)程度。”

    兩位工程師利用新發(fā)現(xiàn)的知識(shí)研發(fā)出一種耐摔打的微型飛行器。它的身體必須能夠抵御沖擊，翅膀必須能夠獨(dú)立控制。于是，他們?yōu)槲⑿蜋C(jī)器人設(shè)計(jì)了一種外殼，上面獨(dú)特的沖擊吸收設(shè)計(jì)——— 鑲嵌在碳纖維和塑料部件之間的橡膠。為了模仿各種不同的翅膀拍打頻率———賦予4扇翅膀的昆蟲超凡的空中控制能力———他們給4個(gè)轉(zhuǎn)子配備了各自獨(dú)立的馬達(dá)。當(dāng)飛行器遭遇狂風(fēng)，或是碰到障礙物，電腦檢測(cè)到目前位置與設(shè)置飛行路徑的差異，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)立刻取而代之，控制飛行器恢復(fù)正常狀態(tài)。

    去年2月，兩名工程師設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)InstantEye參加了喬治亞州貝寧堡軍事基地舉辦的年度“美國(guó)陸軍遠(yuǎn)征勇士實(shí)驗(yàn)”。一個(gè)步兵排在它的幫助下完成了一系列制定任務(wù)。士兵們給予了它最高等級(jí)的“綠色”評(píng)價(jià)。

    當(dāng)?shù)谝淮⑿蜔o(wú)人機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)，巨大的工程學(xué)挑戰(zhàn)依然存在。對(duì)于伍德而言，最大的障礙似乎是動(dòng)力。不同于體型大得多的InstantE ye、納米蜂鳥和蜻蜓無(wú)人機(jī)，R oboBee必須連接外部電源。伍德正嘗試用微細(xì)加工技術(shù)縮小電池。他還和哈佛、華盛頓大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員合作，研究新型電池、微型燃料電池和無(wú)線輸電技術(shù)。據(jù)他估計(jì)，距離第一款自帶動(dòng)力RoboBee問(wèn)世還有1-2年。