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机器昆虫集团军 单一的仿生微型无人机自有其用途，但成群的微型无人机可完成更复杂的任务。宾夕法尼亚大学的工程师维贾伊·库马尔和亚利桑那州立大学的生物学家史蒂芬·普拉特合作，将从蚁群那里学到的知识应用到了一群微型机器人上。①在自然中，蚂蚁是自主行动的。工程师们过去用中央化的系统来指挥群体成员的活动。但随着群体成员数量增加，控制
这款哈佛自动化实验室的作品虽然名叫“机器蜂”(R oboB ee)，却是以苍蝇为原型制造的，它的翅膀每秒可拍打120次。
P S I公司研制的微型无人机In stantE ye的外壳具有震动吸收功能，这一技术受到了苍蝇的启发。
早期型号的R oboB ee。
自然花费了数百万年时间来完善拍打翅膀的飞行方式，现在，在新的空气动力学知识帮助下，工程师们已经研制出模仿昆虫飞行方式的扑翼式微型无人机。和传统固翼飞机相比，它们更灵活，更容易摆脱障碍物，但对于超微型的无人机，动力来源依然是一大难题。
5年前，理查德·盖勒和汤姆·范内克坐在距离办公室几个街区外的酒吧里，决定暂时忘记工作，放松一下。在近1年时间里，这两位工程师一直在尝试建造一款能够在恶劣天气中和建筑内部飞行，能够灵活绕开障碍物并且耐摔打的无人机。他们尝试了各种固定机翼的设计，但安装监测并回避障碍物的感应器会让机器过于沉重无法飞行。他们又尝试了直升机式设计，但旋翼很容易被树枝和电线缠住。他们甚至建造了一款带马达的气球；结果，一股轻风就会让其偏离航道。
两人静静地坐着享用啤酒，看到一只苍蝇飞过，一头撞上了玻璃窗。如果是他们的无人机遇到同样情况早已被撞得支离破碎，但这只昆虫却从玻璃上弹回来，迅速恢复。然后这家伙又傻乎乎地一头撞上了玻璃。
“这一幕让我们恍然大悟，”为麻省研发公司PSI(Physical SciencesInc)工作的范内克说，“我们意识到，我们可以设计一种人造系统，即使撞到障碍物，它也可以立即恢复，并继续飞行。”
从自然界借鉴设计的概念早不新鲜，尤其是在飞行器的设计上。古希腊神话中有一位代达罗斯为自己的儿子伊卡洛斯制造了一对可以飞行的翅膀(不幸的是，这玩意太先进了，伊卡洛斯飞得过于靠近太阳，粘连羽毛的蜡熔化，伊卡洛斯坠落身亡)；列奥纳多·达·芬奇曾描绘过一款人动力的扑翼飞机。但是直到不久前，发明家们还没有足够的空气动力学知识，帮助他们制造出机械化的会飞的昆虫。随着技术进步，科学家们揭开了更多的大自然的秘密。工程师们也创造出第一代仿造昆虫的飞行器，揭开了微型无人机时代的序幕。
“在伟大设计方面，自然领先人类几亿年，”华盛顿布鲁金斯学院的彼得·辛格尔说，“明天人们见到的机器人将和今天的完全不同，很可能它们会长得像你周围的动物。”
虽然昆虫及其近亲占全世界所有物种的80%———已知种类就多达约90万种———然而，它们的飞行机制在很长时间里一直是谜。传统固翼飞机依靠机翼上方稳定的气流，直升机旋翼也是如此。然而，当昆虫来回拍动翅膀，周围的空气不断变化。蜜蜂等昆虫的短小翅膀所承载的重量，用传统的稳态空气动力学原理无法解释。
在科学家能够解释扑翼飞行原理之前，他们首先需要观察最微小的细节。上世纪70年代，剑桥大学的丹麦动物学家托克尔·维斯-福格用高速照相技术分析了飞行昆虫的翅膀运动，并和昆虫的形态特征进行比较。据此，他得出了昆虫飞行的普遍原理。昆虫在上下拍动翅膀时，双翅靠近又拉开，这一运动将空气拨开，创造一个低压气穴。然后，旁边的空气冲入这个气穴，形成漩涡。漩涡创造了足以在拍翅间歇支撑昆虫的力量。维斯-福格指出，翅膀的旋转和角度或许可以创造类似的空气漩涡，提供额外升力。
20年后，计算机技术发展了这一理论，科学家们开始将这些原理用于人造系统。剑桥大学的动物学家，维斯-福格从前的学生查尔斯·艾灵顿制造了一对可以准确模仿天蛾飞行运动的机械翅膀。他将其放进一个充满烟的风洞，从而分析翅膀拍动时的流体动力学。在加州大学伯克莱分校，神经生物学家迈克尔·迪肯森仿照果蝇飞行的自然运动制造了一对机械翅膀，将其放入一个装满两吨矿物油的水箱。世界各地的科学家们逐步揭开了昆虫飞行空气动力学的诸多细节。
迪肯森和电气工程师罗恩·菲尔林在1998年赢得了D A R PA (美国国防部高级研究计划局)20万美元的奖金，致力于将这些原理应用于设计制造微型飞行器。他们招募了研究生罗伯·伍德等人，帮助开发制造微型零件的技术，然后用镊子费力地将这些零件组装起来。迪肯森和菲尔林还告诉他们必须达到的重要空气动力学标准。”苍蝇翅膀运动的轨迹非常复杂，需要考虑众多微妙的细节，”伍德说，“迈克尔告诉我们，创造漩涡最重要的特征和其他空气动力学效用。”
2004年，伍德研究生毕业，在哈佛拥有了自己的实验室，他帮助开创了用高能效的另类材料复制苍蝇翅膀的方法；还设计建造了一个陀螺仪，用于模仿昆虫监控身体旋转的感应器；他还发明了制造微型复杂系统的方法。接下来的一步是将零件组装起来，造出一只昆虫大小的飞行器。
2006年一个寒冷的日子，伍德来到他的哈佛实验室。在工作台上放着一个60毫克重的机器人，它有的翼展仅3厘米，身子大小相当于普通苍蝇。它连接着一个6英尺高的电脑架，上面放满了高压放大器和数据采集设备。伍德小心地检查了连接和信号。
然后，他打开电源，看着他创造的小东西的翅膀开始震动，将机器带入空中，并停留了几秒钟。伍德高兴地跳了起来。走到这一步足足花了他七年时间，达到下一个技术突破———沿着设定的线路持续飞行———又将耗费年。2012年夏，一封见证这一里程碑时刻的邮件于凌晨3点抵达他的邮箱。一名欣喜若狂的研究生发来的一段视频，上面记录了最新型号R oboB ee的试验进展。视频显示，这个精巧的小机器升入空中，第一次展示昆虫大小的飞行器也可以稳定地盘旋，并按照指令行动。
“那天晚上我根本睡不着，”伍德说，“第二天，我们开香槟庆祝这一重要时刻，更重要的是，这让大家如释重负：如果迟迟无法成功，这恐怕说明，我们一直以来研究的方向都是错误的。”
伍德开创了微型飞行器的先例；其他的研究者则缩小了可载重仿昆虫飞行器的大小。2011年，加州A eroV irom ent公司展示了它的纳米蜂鸟。这款微型飞行器翼展16.5厘米；可垂直向、水平向飞行，可在大风中保持悬停状态。它重19克，比一些A A电池还轻，可携带一个微型相机、通信系统和能源。
佐治亚理工学院的衍生公司T echJect不久前展示了一款机械蜻蜓。它翼展6英寸，重5.5克，可装备模块化电子包、拍摄高清视频，进行无线通信。T echJect的蜻蜓利用了叫做“共振”的空气动力学原理。当翅膀以最优频率拍动时——— 空气密度、扑翼频率和机体重量达到完美平衡——— 可创造波浪般连续的漩涡，相互融合扩大。T echJect的总裁杰扬·拉蒂解释说，这一效果在蜂鸟和蜜蜂身上的具体表现就是那种呜呜的轰鸣声。扑翼无人机利用共振现象大幅节省能源，用最小的能耗创造最优的升力。
去年，拉蒂和他的团队向业余爱好者们推出了商业版的蜻蜓无人机。他们计划于2014年针对另一块市场发布新的版本。“顾客的接受度意外地好，”拉蒂说，“这并非成熟的技术，但距离那一步并不遥远。我们还在接收反馈意见，逐步改进。”
解决了飞行和负重的问题，昆虫无人机依然太脆弱，遇到冲击很容易损坏。因此，盖勒和范内克决定专注于耐用性。在观察了酒吧内苍蝇撞玻璃的一幕后，两位工程师决定求助于一位知道如何复制昆虫飞行的专家。他们决定和伍德合作。此时，伍德的实验室已经加入哈佛Wyss仿生工程研究所。两支团队一起申请了美国空军研究经费。伍德的小组用一套图像捕捉系统记录并分析苍蝇在撞击玻璃时刻和前后的飞行行为。
当盖勒和范内克放慢视频播放速度后，不禁惊讶于看到的景象。“我原以为，苍蝇会翻滚，并向下掉一大截，”范内克说，“但实际上，苍蝇很优雅地就恢复了正常姿态。这绝对是一个突破口。”
盖勒和范内克瞄准了苍蝇身体的几何结构。它的外骨骼有着类似手风琴褶皱一样的结构，可吸收冲击力。它似乎还可感应到即将发生的撞击。就在撞击前一瞬间，苍蝇突然改变了飞行角度，确使腿部首先触及玻璃。在同一时刻，翅膀停止拍动。每次撞击玻璃时，它都顺应撞击的冲力，自然下落。但是就在微秒之间，苍蝇的重心似乎立刻又将它拉回稳定的位置。翅膀重新拍动，恢复了正常飞行。“它在撞击后可在两三次翅膀拍动的时间内完全恢复，令人惊叹，”范内克说，“没有人造系统可以做到这个程度。”
两位工程师利用新发现的知识研发出一种耐摔打的微型飞行器。它的身体必须能够抵御冲击，翅膀必须能够独立控制。于是，他们为微型机器人设计了一种外壳，上面独特的冲击吸收设计——— 镶嵌在碳纤维和塑料部件之间的橡胶。为了模仿各种不同的翅膀拍打频率———赋予4扇翅膀的昆虫超凡的空中控制能力———他们给4个转子配备了各自独立的马达。当飞行器遭遇狂风，或是碰到障碍物，电脑检测到目前位置与设置飞行路径的差异，自动驾驶系统立刻取而代之，控制飞行器恢复正常状态。
去年2月，两名工程师设计的无人机InstantEye参加了乔治亚州贝宁堡军事基地举办的年度“美国陆军远征勇士实验”。一个步兵排在它的帮助下完成了一系列制定任务。士兵们给予了它最高等级的“绿色”评价。
当第一代微型无人机进入市场，巨大的工程学挑战依然存在。对于伍德而言，最大的障碍似乎是动力。不同于体型大得多的InstantE ye、纳米蜂鸟和蜻蜓无人机，R oboBee必须连接外部电源。伍德正尝试用微细加工技术缩小电池。他还和哈佛、华盛顿大学和麻省理工学院的研究人员合作，研究新型电池、微型燃料电池和无线输电技术。据他估计，距离第一款自带动力RoboBee问世还有1-2年。
盖 勒 和 范 内 克 计 划 用 扑 翼 取 代InstantEye的旋翼。目前来看，这款机器比其他无人机更耐磕碰，更容易在大风中恢复常态。但是，它的旋翼依然很容易和树枝或电线缠绕。盖勒说，“我们发现用扑翼方式飞行的鸟和昆虫更适合多活动障碍物的环境。树木在动，树枝也在动。如果鸟类或昆虫被树枝缠绕，它们只需要继续拍动翅膀就能摆脱束缚。我们意识到，扑翼是唯一应对类似困境的方法。”
还有引领昆虫飞行空气动力学研究的迪肯森。如今，他在华盛顿大学拥有自己的实验室，使用高级图像系统研究昆虫的飞行。早期的高速相机每秒可拍摄3000帧图片。他说，“15年前，苍蝇看上去就像是毛茸茸的U FO。”现在的相机每秒可拍7500帧图片，还可拍摄红外照片。除了分析飞行；迪肯森还用电极记录昆虫飞行途中的大脑神经元活动。他将昆虫和飞行模拟系统连接，安排各种视觉刺激——— 比如天敌的照片——— 导致它们作出反应。“我们开始了解在飞行过程中，脑神经元是如何处理信息的，以及感官信息如何被转化为行动。”迪肯森说，“罗伯(伍德)的机器昆虫能够飞行依据的是让动物保持空中运动的最基本原理。现在，我们要更进一步，理解苍蝇的头脑是如何指挥控制飞行。
学习自然创造超级感应器的方法可帮助创造更轻盈、聪明的无人机。届时，微型无人机的用途将更加广阔。盖勒和范内克计划将InstantE ye卖给军方和执法部门。英国军队不久前已经开始在阿富汗战场上使用微型无人机———一款手动发射的直升机“黑黄蜂”。它将主要负责搜寻反叛武装。在城市中，微型无人机同样可发挥作用。比如，它们可以进入办公楼、银行，或盘旋在摩天大楼外，为警察拍摄视频，在人质劫持事件中收集宝贵信息。
伍德为R oboB ee设想了更多的用途。一盒的R oboB ee有1000个，总重仅1磅。它们可轻易进入灾难现场，搜寻幸存者。它们还可以监控城市交通或环境，帮助给农作物授粉。研究者可用它们在野外收集数据。无论用途是什么，微型无人机已经不再是工程师的美梦。它们在成长壮大，变得灵巧、坚固、聪明
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