打造一架更堅固耐用的無人機
這些小型、脆弱易碎的無人機并沒有解決由無法預(yù)期的碰撞所導(dǎo)致的損害這一問題，因此，古烈和瓦內(nèi)克一直希望能提高其耐用性。在酒吧受到飛蛾的啟示之后，他們開始與其他人合作，來再現(xiàn)昆蟲的飛行。他們找到了伍德，此時，伍德的實驗室已并入哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所。隨后，他們利用一套圖像采集系統(tǒng)，對飛蛾在同玻璃碰撞之前、之中以及之后的一舉一動進(jìn)行了記錄和分析。通過密切地觀察飛蛾身體部位的方位，他們精確測量出了昆蟲的翅膀和腿部的開合和扭轉(zhuǎn)。
當(dāng)古烈和瓦內(nèi)克將視頻放慢時，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)：“我認(rèn)為，飛蛾會摔倒并掉下來，但并非如此，飛蛾的恢復(fù)動作非常優(yōu)雅，一切發(fā)生得太突然，讓人無法不屏住呼吸。”
古烈和瓦內(nèi)克仔細(xì)觀察了這種飛蛾身體怪異的幾何形狀。其外骨骼有類似于手風(fēng)琴的部分，這部分的作用就像是一個減震器，其似乎也能感受到即將到來的碰撞。就在碰撞之前，飛蛾會以一定的角度飛行，確保其腿部會首先接觸到玻璃。在那一瞬間，翅膀一動不動。每當(dāng)飛蛾猛烈撞上窗戶時，它會條件反射般地屈服于撞擊的動量并落下來。但剎那之間，飛蛾的重心會將其拉回到一個穩(wěn)定的位置。接著，其翅膀再次拍動，讓昆蟲再次有控制地盤旋。瓦內(nèi)克說：“通過翅膀的拍動，飛蛾能撞擊并快速恢復(fù)，這一點非常不容易，目前，還沒有人造系統(tǒng)能做到這一點。”
圖：駐阿富汗的英軍放飛“黑蜂”無人機。
因此，他們兩人開始利用這些知識，來研制一款有彈性的微型飛行器。這種設(shè)備的身體要能防震；每個翅膀也需要能被獨立地控制。因此，他們?yōu)橐粋€四旋翼飛機設(shè)計了一個外殼，其上整合了一些橡膠減震器，位于由碳纖維和塑料制造的零件中間。他們給四旋翼的每一個旋翼都安裝了發(fā)動機以便模擬不斷交替的翅膀速度，正是這種速度對擁有四個翅膀的昆蟲的飛行狀態(tài)進(jìn)行了完美的控制。當(dāng)這一設(shè)備被風(fēng)吹離軌道或碰上障礙物時，其上裝配的計算機能探測到其目前的位置和預(yù)先編好的飛行路徑之間的差異，而且，一個自動駕駛儀會條件反射似的讓其恢復(fù)穩(wěn)定。
去年2月份，他們讓采用這種方法研制出來的、名為Instant Eye的小型無人機參加一年一度在美國佐治亞州本寧堡進(jìn)行的陸軍遠(yuǎn)征勇士試驗，作為裁判的士兵們給其貼上了“環(huán)保”的標(biāo)簽，這是最高的排名之一。當(dāng)被拋到空中時，Instant Eye能自動飛行。用戶可以用它在高處建立一個即時可用的有利位置，同時又不必花時間將設(shè)備發(fā)射到空中。
克服未來的障礙
盡管第一代微型無人機已經(jīng)進(jìn)入市場并受到各方追捧，但工程學(xué)上的挑戰(zhàn)仍然存在。對于伍德來說，最大的障礙在于電源。與塊頭大一點的Instant Eye無人機不同，“納米蜂鳥”“蜻蜓”無人機以及“機器蜜蜂”都必須被連接到外部電源上。伍德正使用微構(gòu)造來試圖讓其上負(fù)載的電池盡可能小，他也在同哈佛大學(xué)、華盛頓大學(xué)以及麻省理工學(xué)院的研究人員合作，希望能研制出新奇的電池、微型燃料電池以及無線電力傳輸系統(tǒng)。他認(rèn)為，未來一兩年內(nèi)，這樣的設(shè)備應(yīng)該就可以研制出來。
古烈和瓦內(nèi)克則希望用撲翼取代其四旋翼飛機上的螺旋槳。盡管與其他無人機相比，Instant Eye更擅長從陣風(fēng)導(dǎo)致的偏擺以及微小的碰撞中恢復(fù)過來，但其螺旋槳仍然與電線糾纏在一起。古烈說：“我們發(fā)現(xiàn)，撲翼的鳥類和昆蟲都能很好地適應(yīng)周圍的環(huán)境，比如樹在移動，樹枝在移動等等。如果這些無人機落入樹枝中，它們會找到出路。我們意識到，撲翼是唯一的解決方案。”
而研制機器飛蛾的迪金森在華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的實驗室則在使用高級成像系統(tǒng)對昆蟲的飛行進(jìn)行更加深入地研究。他說：“15年前，高速照相機每秒只能捕獲約3000幀，這使得昆蟲看起來就像小型怪異的‘天外來客’，而現(xiàn)在，照相機每秒能捕獲大約7500幀，因此，我們能夠進(jìn)行更加精微的研究。”
迪金森的研究重點也不僅僅是分析飛行，他也在使用電極記錄昆蟲大腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的活動。他將這些神經(jīng)細(xì)胞同一個飛行模擬系統(tǒng)連接在一起，并對其進(jìn)行視覺刺激，例如，讓其觀看食肉動物的圖像等，以引起它們的反應(yīng)。迪金森說：“借此，我們能了解昆蟲大腦內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞如何處理與飛行有關(guān)的信息以及傳感信息如何被翻譯成特定的行為。伍德的研究成果建立在昆蟲飛行的基本機制上，通過這種機制，這些微型設(shè)備能在空中停留，但我們要超越這一機制，最終理解昆蟲如何有控制地在空中玩花樣。”
這些研究成果有助于科學(xué)家們研制出更輕量、更智能的無人機，而其應(yīng)用范圍當(dāng)然也更廣闊。古烈和瓦內(nèi)克計劃將Instant Eye出售給軍方和執(zhí)法部門。而據(jù)國外媒體報道，駐阿富汗英軍部隊成為目前世界上最為先進(jìn)的微型遙控?zé)o人偵察機的第一批使用者。這款名為“黑蜂”的微型無人偵察機的尺寸大約為10厘米×2.5厘米，可以為地面部隊提供重要的戰(zhàn)場情報。該款無人機裝備了一部微型攝像頭，可以為作戰(zhàn)部隊提供動態(tài)圖像或是靜態(tài)照片，士兵可以使用其對街角、圍墻或是其他障礙物進(jìn)行偵察，以預(yù)知這些視覺死角后方潛在的危險。
除此之外，微型無人機或許也能在室內(nèi)使用，比如，能使警察和特警在辦公大樓或銀行內(nèi)部等收集腳印。伍德也表示，“機器蜜蜂”非常輕巧，因此，能被大批量地運送到災(zāi)區(qū)搜尋幸存者；它們也能監(jiān)測交通和環(huán)境狀況；研究人員或許也能利用它們在野外收集數(shù)據(jù)。
無論最終的應(yīng)用如何，微型無人機都不再是達(dá)·芬奇等人的夢想。它們已經(jīng)一飛沖天，靈巧，能很快恢復(fù)且自帶電源。
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