“蜻蜓眼”受控生物無人機(jī)取得重要進(jìn)展

2017年5月，美國(guó)前沿科技探索公司德雷珀實(shí)驗(yàn)室（D ra pe r La b）公布了名為“蜻蜓眼”（DragonflEye）受控生物無人機(jī)的照片和飛行視頻。這種無人機(jī)在蜻蜓上加裝了電子背包，電子背包包含微型導(dǎo)航、微型太陽能電池和光極等系統(tǒng)。在電子背包的控制下，可實(shí)現(xiàn)蜻蜓根據(jù)人類指令飛行。相比傳統(tǒng)微型無人機(jī)，這種半生物、半機(jī)械的受控蜻蜓無人機(jī)擁有飛行時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)和隱身性能好等特殊優(yōu)勢(shì)，在軍用和民用領(lǐng)域均擁有廣闊的發(fā)展前景。

“蜻蜓眼”無人機(jī)的發(fā)展背景

“蜻蜓眼”是由德雷珀實(shí)驗(yàn)室牽頭、霍華德？休斯醫(yī)學(xué)研究所參與研發(fā)的新概念無人機(jī)，以探索控制自然界生物飛行的可行性。德雷珀實(shí)驗(yàn)室成立于 1932年，最初隸屬于麻省理工學(xué)院，主要研究航空導(dǎo)航技術(shù)，后成為獨(dú)立的非盈利機(jī)構(gòu)，為國(guó)防、宇宙探索、醫(yī)療和能源等領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研發(fā)創(chuàng)新性的技術(shù)解決方案。該實(shí)驗(yàn)室曾研發(fā)出阿波羅登月計(jì)劃的太空導(dǎo)航、飛機(jī)電傳飛控、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、GPS/慣性復(fù)合導(dǎo)航等諸多先進(jìn)技術(shù)，為提升美軍作戰(zhàn)能力做出卓越貢獻(xiàn)。

目前，德雷珀實(shí)驗(yàn)室擁有員工1400多名，年度經(jīng)費(fèi)5億美元左右，研究領(lǐng)域主要包括：（1）制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制（GNC）領(lǐng)域，主要研究GPS復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)。（2）空戰(zhàn)和情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）領(lǐng)域，正在研究納米飛行器和用于瞄準(zhǔn)的情報(bào)技術(shù)。（3）自主系統(tǒng)領(lǐng)域，主要研究無人裝備自主算法。（4）微系統(tǒng)領(lǐng)域，重點(diǎn)開展定制封裝與互連技術(shù)研究。（5）生物醫(yī)療領(lǐng)域，主要研究 MEMS、計(jì)算建模、算法開發(fā)以及圖像和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，以及可穿戴或可植入醫(yī)療裝置、器官輔助裝置等設(shè)備。（6）新能源領(lǐng)域，打造可靠、高效的能量生成與消耗系統(tǒng)。

“蜻蜓眼”無人機(jī)結(jié)合了生物和機(jī)械兩方面特征，涉及微系統(tǒng)、神經(jīng)、導(dǎo)航和新能源等各領(lǐng)域的前沿技術(shù)，屬于多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。德雷珀實(shí)驗(yàn)室在上述領(lǐng)域的技術(shù)積累為“蜻蜓眼”無人機(jī)的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“蜻蜓眼”無人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域均擁有發(fā)展空間。德雷珀實(shí)驗(yàn)室受控生物無人機(jī)研發(fā)原本著眼于蜜蜂和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，原因是近25年美國(guó)蜜蜂的蜂群密度縮減了一半，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。為了使剩余蜜蜂集中力量高效授粉，需要研發(fā)出“受控蜜蜂”，按照人類指令完成作業(yè)。另外，“受控蜜蜂”還可通過記錄蜜蜂的飛行數(shù)據(jù)，檢測(cè)出蜂群飛行模式、遷徙路徑和整體健康情況，找出蜂群數(shù)量減少的原因。但由于把蜜蜂和電子背包結(jié)合存在困難，德雷珀實(shí)驗(yàn)室最終選擇蜻蜓開展技術(shù)驗(yàn)證。這種技術(shù)不但在農(nóng)業(yè)和生物領(lǐng)域具有重要的使用價(jià)值，而且，還可以發(fā)展成為一種特殊的空中偵察裝備。德雷珀實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)專家兼項(xiàng)目首席研究員惠勒認(rèn)為，“蜻蜓眼”無人機(jī)代表了一類全新的微型飛行器，各種先進(jìn)技術(shù)都能集成在昆蟲能夠負(fù)載的微型電子背包中，比其他任何機(jī)械無人機(jī)都更加微小、輕盈和隱秘，將對(duì)未來空中ISR帶來顛覆性影響。

“蜻蜓眼”無人機(jī)的工作原理

霍華德？休斯醫(yī)學(xué)研究所把蜻蜓復(fù)眼中的感光基因植入神經(jīng)索內(nèi)控制飛行轉(zhuǎn)向的神經(jīng)元的基因序列中。這種轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元的細(xì)胞膜上有一種特殊蛋白質(zhì)，使細(xì)胞膜經(jīng)光照后會(huì)打開離子通道，改變細(xì)胞內(nèi)部的電勢(shì)，產(chǎn)生電流刺激肌肉揮動(dòng)翅膀。另外，德雷珀實(shí)驗(yàn)室為蜻蜓研發(fā)了只有人類指甲大小的包含光極、信號(hào)處理、微型導(dǎo)航和太陽能電池等系統(tǒng)的電子背包，這是人類與蜻蜓間的信息中轉(zhuǎn)站。其中，光極是一種比光纖更小的微型柔性光學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠以亞毫米級(jí)精度彎曲光束嵌入蜻蜓體內(nèi)后可精準(zhǔn)定位轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元的位置，且不會(huì)損壞相鄰的神經(jīng)元。信號(hào)處理系統(tǒng)接收人類指令，并控制光極的光學(xué)特性。導(dǎo)航系統(tǒng)可對(duì)蜻蜓進(jìn)行精確定位，在飛出控制范圍后方便人員尋找。太陽能電池為電子背包供電，使蜻蜓不被傳統(tǒng)電池或電線拖累。蜻蜓飛行時(shí)，經(jīng)過編碼的轉(zhuǎn)向指令經(jīng)由電子背包轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過刺激“轉(zhuǎn)向神經(jīng)元”使蜻蜓產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的想法并行動(dòng)，從而控制蜻蜓飛向指定的方向。

“蜻蜓眼”無人機(jī)的特點(diǎn)

“蜻蜓眼”無人機(jī)的特點(diǎn)主要包括：

（1） 保持了蜻蜓原生的高效飛行技能

“蜻蜓眼”不依賴誘騙昆蟲或直接刺激肌肉控制它們行動(dòng)，而是采用光極直接將命令發(fā)送到蜻蜓的神經(jīng)系統(tǒng)中。這意味著可以直接控制蜻蜓的想法，使它們自己想要采取動(dòng)作，從而保留了蜻蜓的原生飛行技能，可高效地實(shí)現(xiàn)飛行、懸?；蚋哌_(dá)9倍重力加速度的機(jī)動(dòng)能力。

（2） 通過捕食和陽光實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)飛行耐久性

蜻蜓可通過捕食自行補(bǔ)充能量，而電子背包的能源也可通過太陽能解決。因此，在蜻蜓存活期內(nèi)的“蜻蜓眼”的動(dòng)力全部來自自然，留空時(shí)間很長(zhǎng)。

（3） 蜻蜓在自然界的廣泛存在可保證具有良好的隱身效果

蜻蜓共有5000多種，在全球分布廣泛，另外其體型較小，使“蜻蜓眼”作戰(zhàn)過程中與大自然融為一體，隱秘效果極佳。

發(fā)展前景和展望

2017年5月，德雷珀公司公布了“蜻蜓眼”的飛行視頻，但僅顯示了蜻蜓本身的自主直線飛行，是否成功利用光極控制蜻蜓轉(zhuǎn)向并不可知。假設(shè)目前可控制蜻蜓轉(zhuǎn)向，但距“蜻蜓眼”的實(shí)際應(yīng)用仍還存在一定距離。一是目前僅能控制飛行過程中的蜻蜓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，不能控制完成起飛、懸停和降落等復(fù)雜動(dòng)作，即無法持續(xù)控制蜻蜓飛行，這導(dǎo)致蜻蜓受人類控制時(shí)間短、偵察能力相對(duì)受限。二是當(dāng)前電子背包系統(tǒng)功能預(yù)計(jì)僅支持“蜻蜓眼”視距范圍控制，偵察半徑較小。未來可在背包中集成微型攝像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視距外操控。三是目前報(bào)道中并未說明是否使用人腦控制蜻蜓轉(zhuǎn)向，而未來可使士兵配裝腦機(jī)接口系統(tǒng)，用人類意念控制蜻蜓意念，縮短控制流程，實(shí)現(xiàn)蜻蜓受控近零時(shí)間差。

（1） “蜻蜓眼”無人機(jī)可在未來特種作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用

特種作戰(zhàn)擁有計(jì)劃周密、出其不意、速戰(zhàn)速?zèng)Q等特點(diǎn)，要求接敵時(shí)以隱蔽方式完成敵方信息獲取。微型無人機(jī)可隨身攜帶，單兵即可完成發(fā)射和操控，可以獲得目標(biāo)實(shí)時(shí)視頻和靜止圖像，擴(kuò)展了士兵的態(tài)勢(shì)感知范圍，可為特種作戰(zhàn)提供重要情報(bào)支撐。但是，目前的微型無人機(jī)仍存在性能瓶頸。一是電池容量有限且飛行效率較低，續(xù)航時(shí)間一般只有幾十分鐘。二是與自然界昆蟲相比，機(jī)動(dòng)性能差，時(shí)敏目標(biāo)偵察和脫困能力欠缺。三是由于存在噪聲和飛行特征與自然界昆蟲不同，隱身性較差，易暴露。目前，尚無任何傳統(tǒng)或仿生無人機(jī)能媲美昆蟲本身的飛行效率和機(jī)動(dòng)性，另外，昆蟲還具備易被人類忽略和從自然環(huán)境中攝取能量提升飛行耐久性等諸多特點(diǎn)。因此，利用生物自身優(yōu)勢(shì)，“蜻蜓眼”可成為未來空中態(tài)勢(shì)感知能力的新選項(xiàng)，在未來特種作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

（2） 生物技術(shù)是未來軍用裝備的重要技術(shù)來源

當(dāng)今軍用技術(shù)的研發(fā)除聚焦以認(rèn)知、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)為代表的人工智能技術(shù)外，軍用生物技術(shù)逐漸成為未來軍用裝備的重要技術(shù)來源。包含生物材料、生物計(jì)算和腦科學(xué)等在內(nèi)的軍用生物技術(shù)可借鑒或利用自然界生物的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和特殊功能，為武器裝備的顛覆性創(chuàng)新提供新源泉，并不斷催生全新作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)理念。例如，在腦科學(xué)方面，通過控制蜻蜓等生物的行動(dòng)實(shí)現(xiàn)“控腦”，使自然界生物成為幫助人類升級(jí)特種作戰(zhàn)能力的新裝備；通過大腦對(duì)各類裝備等的直接控制，減少或替代人類肢體操作，實(shí)現(xiàn)“腦控”，顯著提升作戰(zhàn)人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性；通過借鑒人腦構(gòu)造方式和運(yùn)行機(jī)理，開發(fā)全新信息處理系統(tǒng)或更加復(fù)雜的武器裝備，實(shí)現(xiàn)“仿腦”，大幅提高無人系統(tǒng)的智能化水平，可為云作戰(zhàn)、超級(jí)計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域帶來重大變革；通過神經(jīng)影像學(xué)和神經(jīng)精神治療等研究實(shí)現(xiàn)“愈腦”，解決戰(zhàn)時(shí)腦損傷和戰(zhàn)后精神疾病。另外還可極大推動(dòng)士兵作戰(zhàn)能力的提升，如解決睡眠障礙、降低腦疲勞、緩解心理壓力和延長(zhǎng)有效作戰(zhàn)時(shí)間等?？傊匀唤缟飳⒗^續(xù)啟發(fā)人類創(chuàng)造出更加先進(jìn)武器裝備，為戰(zhàn)斗能力的躍升做出重要貢獻(xiàn)。

（責(zé)任編輯：劉玲蕊）