仿生無人機(jī)的創(chuàng)新與發(fā)展

林一平/ 上海交通大學(xué)，上海市 閔行區(qū) 100000

采用人工智能研制仿生無人機(jī)具備一些昆蟲和飛禽的特質(zhì)，擁有出色的短起落和垂直起落性能，尤其在低速、小型、微型、袖珍面優(yōu)勢(shì)明顯，用途十分廣泛而且能簡(jiǎn)化無人機(jī)的制造工藝，進(jìn)行批量生產(chǎn)，降低成本，現(xiàn)已獲得了成功，應(yīng)用前景看好。

研制仿生型無人機(jī)一直是無人機(jī)研發(fā)發(fā)的重要領(lǐng)域，也是無人機(jī)小型化、微型化后頗具難度的研究課題。人類向往能夠像昆蟲和飛禽那樣撲翼飛行已經(jīng)有幾千年的歷史，然而由于受到時(shí)代和科技水平的局限，屢屢試驗(yàn)，甚至付出了生命代價(jià)，結(jié)果均以失敗告終。

昆蟲和飛禽撲翼飛行的魅力在于它能夠以極小的力量產(chǎn)生升力托起自身重量，不需要跑道就可以離地升空；同時(shí)升空后的飛行期間沒有噪聲，不破壞自然環(huán)境；翅膀還能根據(jù)需要收放自如，收攏后也不影響昆蟲或飛禽行走等；完全符合輕量、節(jié)能、環(huán)保、高效的現(xiàn)代理念，一些發(fā)達(dá)國(guó)紛紛投入力量從事這方面的研究，先后研制成功了一些仿生試驗(yàn)機(jī)和工程樣機(jī)。

樣機(jī)五彩繽紛

常言說麻雀雖小但五臟齊全。別看仿生型無人機(jī)體格小，但是它與大中型無人機(jī)相比結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不僅一樣面面俱全，而且功能和用途還更勝一籌。 研制仿生型無人機(jī)不僅要求其外形酷似某一飛行生物，做到形似，而且應(yīng)該具備該飛行生物的一些基本功能。其研制難點(diǎn)在于小微型化，不但結(jié)構(gòu)要求小而輕薄，而且要求機(jī)載設(shè)備、系統(tǒng)精細(xì)化、精密化、集成化，需要微型傳感器、袖珍芯片、微處理器、微型計(jì)算機(jī)等與之配套。這些均需要有一定的科技水平和工業(yè)基礎(chǔ)，尤其是研發(fā)得益于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、微積分增財(cái)制造、壓電致動(dòng)器和低功率傳感器等技術(shù)的進(jìn)步。

依靠人工智能仿生設(shè)計(jì)的一種撲翼袖珍無人機(jī)如圖1所示。它采用微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，機(jī)身比手指點(diǎn)還小。一對(duì)撲翼酷似昆蟲的翅膀，不僅全透明，而且有清晰的骨骼支撐；不僅翅膀很薄，而且重量非常輕；它不僅可以收攏翅膀，而且還可以展開翅膀。開機(jī)后，撲翼幾下就能夠輕松脫離手指升空，然后自由飛行。

依靠人工智能設(shè)計(jì)的另一種仿蜻蜓結(jié)構(gòu)的撲翼袖珍無人機(jī)如圖2所示，其全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體不僅符合仿生學(xué)，而且滿足彈性力學(xué)。它采用微電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩對(duì)翅膀，撲翼飛行。它體內(nèi)安裝有微型傳感器和導(dǎo)航控制系統(tǒng)，能夠去執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)偵察和搜尋任務(wù)。它不僅做到形似，而且還做到神似。倘若不仔細(xì)辨別，以假亂真，普通人還真難以識(shí)別出其真?zhèn)巍Ｔ擈唑训闹亓窟€不到一盎司(5.5g)，可拍攝高清晰度的照片，也可通過Wi-Fi控制iPad或智能手機(jī)。其機(jī)身里擁有20個(gè)傳感器，能夠采集速度、高度、姿態(tài)、氣壓、溫度等數(shù)據(jù)，感知外界動(dòng)態(tài)，穩(wěn)定自身工況，自主巡邏，對(duì)目標(biāo)監(jiān)控，進(jìn)行航拍，或特技飛行。

圖1 仿生設(shè)計(jì)的撲翼袖珍無人機(jī)

圖2 仿蜻蜓設(shè)計(jì)的袖珍無人機(jī)

圖3 “機(jī)器蜜蜂”仿生袖珍無人機(jī)隊(duì)

當(dāng)今，隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟和性能提高，人們已不再只是看到秀高難度飛行技藝的單打獨(dú)斗，大趨勢(shì)是需要更多的編隊(duì)飛行和協(xié)同行動(dòng)。見到圖3中的“機(jī)器蜜蜂”仿生型袖珍無人機(jī)已經(jīng)形成機(jī)隊(duì)。它們每個(gè)單體大小與銅幣相當(dāng)，安裝一對(duì)撲翼，采用短柱型機(jī)身配三點(diǎn)立式起落架，能夠依靠撲翼產(chǎn)生升力垂直起降。它們陸續(xù)升空后，能夠在長(zhǎng)機(jī)的帶領(lǐng)下編隊(duì)飛行去執(zhí)行任務(wù)。它們圍繞同一個(gè)目標(biāo)，互相之間能照應(yīng)和幫襯，并且保持協(xié)同和良好配合，圓滿完成任務(wù)后一起返航。

類似的，人們從自然界中借鑒仿生原理，汲取靈感設(shè)計(jì)的無人機(jī)不勝枚舉。世界上最先使用微型遙控?zé)o人偵察機(jī)的是駐阿富汗的英軍部隊(duì)。他們裝備一種名為“黑蜂”的袖珍無人偵察機(jī)，外廓尺寸約為10cm×2.5cm，機(jī)身全部采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。它升空后能為地面部隊(duì)提供重要的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)(圖4)。該無人機(jī)裝備了一部微型攝像機(jī)，可為作戰(zhàn)部隊(duì)反恐提供動(dòng)態(tài)圖像或是靜態(tài)照片，士兵可以使用其對(duì)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是否存在著潛在的危險(xiǎn)。

高于生物境界

在研制低速、小型、微型、袖珍無人機(jī)方面，采用復(fù)合材料作為主航材，工藝簡(jiǎn)單，可去掉許多道繁復(fù)的中間加工工序，節(jié)省人力資本和物流成本，使工藝流程達(dá)到順暢，濃縮性高、集成性佳，經(jīng)濟(jì)性好，非其他主航材及其工藝所能與之競(jìng)爭(zhēng)。

復(fù)合材料在無人機(jī)制造中的優(yōu)勢(shì)在于比金屬類制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，容易形成批量規(guī)模。尤其在無人機(jī)研發(fā)初期投入省，見效快，風(fēng)險(xiǎn)低。在無人機(jī)研制中后期隨批產(chǎn)量增加，成本明顯降低。在模塊化開發(fā)方面，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)集成、功能擴(kuò)充、技術(shù)升級(jí)、性能提高方面帶來諸多方便。

從圖5的仿生型袖珍無人機(jī)設(shè)計(jì)中可見，這已經(jīng)不是一般意義上的模仿或仿生設(shè)計(jì)，它在機(jī)身前后安裝了二對(duì)撲翼，設(shè)置了四個(gè)機(jī)輪，機(jī)載設(shè)備就位于機(jī)身中央艙。既沒有特指像某種飛行生物，又沒有去刻意仿制哪一種飛行生物，而是集成數(shù)個(gè)飛行性能優(yōu)良生物的諸多特點(diǎn)于一身，再加上人類智慧的結(jié)晶，形成一種超級(jí)仿生型無人機(jī)。這不同于被動(dòng)對(duì)式的仿生設(shè)計(jì)，也不同于機(jī)械式的模仿設(shè)計(jì)，而是人類新一輪的創(chuàng)造。即體現(xiàn)了源于飛行生物，又高于飛行生物的境界。這才是基于人工智能研制的仿生型無人機(jī)的真正魅力。

圖4 英軍士兵放飛的“黑蜂”袖珍無人偵察機(jī)

圖5 仿生設(shè)計(jì)的兩對(duì)撲翼“袖珍”無人機(jī)

圖6 仿蚊子設(shè)計(jì)的“袖珍”無人機(jī)

把這種超級(jí)仿生型無人機(jī)用于民用領(lǐng)域，批量生產(chǎn)裝備的仿生型袖珍無人機(jī)可編隊(duì)飛行去參加星空排字表演，去參加夜空燈光繪畫，傳播中華文明，傳播美的文化，豐富市民的節(jié)日生活；可在農(nóng)田低空作業(yè)，實(shí)施大面積播種；或形成人工蜂群去驅(qū)趕蝗蟲保莊稼，保收成；也可擔(dān)任賽場(chǎng)的裁判，去足球賽、橄欖球賽全場(chǎng)、全程飛，去除黑哨，公正執(zhí)法；再去高山巡線，力保高壓電力網(wǎng)安全暢通；深入抗震救災(zāi)第一線、深入抗洪救災(zāi)第一線速遞急救藥品、食品和飲用水；還可分別去送快遞等。

把這種超級(jí)仿生型無人機(jī)用于軍事領(lǐng)域，批量生產(chǎn)裝備的袖珍無人機(jī)能很好地進(jìn)行人-機(jī)對(duì)話，人-機(jī)協(xié)同。一架飛機(jī)能夠攜帶數(shù)十架仿生型無人機(jī)，在戰(zhàn)區(qū)空域投放后，可以長(zhǎng)僚機(jī)編隊(duì)方式突防，也可以實(shí)施“狼群戰(zhàn)術(shù)”，輪番進(jìn)攻，在短時(shí)間內(nèi)大量消耗敵方防空火力，深入縱深襲擾敵方，破壞管線、電站、水庫、彈藥庫，癱瘓指揮中樞，并圍殲守?cái)场?/p>

促進(jìn)交叉融合

從上述仿生無人機(jī)的研發(fā)中可見，經(jīng)過一些機(jī)型的發(fā)展在技術(shù)上已經(jīng)有了不小的改進(jìn)與完善，然而要達(dá)到代際式的提升，還必須要有實(shí)質(zhì)性的科技進(jìn)步，甚至技術(shù)跨越。

現(xiàn)以目前研制中的仿生無人機(jī)為例，雖然外形已經(jīng)接近仿生對(duì)象，翅膀等也基本具備撲翼飛行功能，但是機(jī)身卻依然是剛體，既缺乏柔性，又缺乏彈性，給一些特定場(chǎng)合(如需要在灌木中或峭壁上安全起降，需要在叢林中穿行)多棲活動(dòng)帶來不便和麻煩，有必要采用可變形的軟體機(jī)身與之匹配，這實(shí)際對(duì)航空科技提出了新的、高難度的挑戰(zhàn)。

然而4D打印智造卻可以助力仿生設(shè)計(jì)的袖珍無人機(jī)，見圖6。4D打印智造材料正在超越3D打印領(lǐng)域，并會(huì)根據(jù)自身所處的環(huán)境需要進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。它比3D打印更進(jìn)一步，使用高端設(shè)計(jì)和特殊材料來打印機(jī)體，使機(jī)體在環(huán)境條件(如溫差)變化下會(huì)隨之改變形狀，從而獲得許多高級(jí)應(yīng)用。基于這項(xiàng)技術(shù)的4D打印與3D打印有一個(gè)很大的不同之處， 在室溫22.8℃～90℃區(qū)間，該材料的剛性調(diào)節(jié)可以超過100倍，并能很好地控制變形，并達(dá)到減震效果。期間，該類材料可重新成形，以用于各種目的。即可以暫時(shí)變形，轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏涡螤?。?jīng)加熱，其能再依據(jù)技術(shù)要求恢復(fù)原始形狀?；?qū)⒏鶕?jù)需要做再次改變，應(yīng)用于飛機(jī)或無人機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)用于需要改變性能的機(jī)身、機(jī)翼等部件，既能在遭到破壞或被擊中時(shí)保持剛性，又能像海綿一樣變軟以吸收震動(dòng)等。

現(xiàn)已研制成功的一種仿蚊子袖珍無人機(jī)(見圖7)的機(jī)身為柔體結(jié)構(gòu)，飛行時(shí)能夠自行展平，一爬行時(shí)能夠自由彎曲；能與6條腿協(xié)調(diào)邁步行走；其機(jī)背可放置收攏后的翅膀；機(jī)首可安裝袖珍傳感器、微型雷達(dá)和攝像機(jī)；降落手指上能做到四平八穩(wěn)。其不僅能單機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)，而且編隊(duì)飛行時(shí)可一面發(fā)出煩人的聲響，恐嚇敵人，另一面可多波次襲擾敵方人群休息，使其喪失戰(zhàn)斗力。

現(xiàn)今仿生設(shè)計(jì)的袖珍無人機(jī)大多屬于微米級(jí)或毫米級(jí)機(jī)器人范疇，主要依靠物理、光學(xué)、磁或射頻線束來提供功率、控制和處理，這在一定條件下限制了它們更多的用途。目前尚缺可以靈活執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，且結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完整的微米級(jí)或毫米級(jí)機(jī)器人系統(tǒng)。

應(yīng)用人工智能進(jìn)行仿生型無人機(jī)的設(shè)計(jì)促進(jìn)了多學(xué)科、諸系統(tǒng)的配套及整合，尤其是加速了機(jī)載元器件的微型化、精細(xì)化、集成化的進(jìn)程。豐富了無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容的多樣化，使之更科學(xué)、更合理。達(dá)到良好的機(jī)械性能與成熟的工藝性、結(jié)構(gòu)輕量化三者之間高度統(tǒng)一。這些既需要進(jìn)行多學(xué)科的交叉與技術(shù)融合，新科技的注入，又離不開大量工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累。包括AI參與的復(fù)材3D 打印量產(chǎn)降本，引入4D打印超材的可調(diào)性、可重構(gòu)性和可部署性，在靈巧化、納米化、信息化、大數(shù)據(jù)等方面為仿生無人機(jī)研發(fā)做出新貢獻(xiàn)。