自然界中的各種生物歷時數(shù)百萬年才讓撲翼飛行變得日臻完善，而現(xiàn)在，工程師們能用機器來再現(xiàn)這種飛行，由此制造出的各種微型無人機也已深入各個領域。

從自然界中汲取靈感

在過去的一年多里，工程師理查德·古烈和湯姆·瓦內克一直試圖研制出一架經(jīng)久耐用的微型無人機，其能躲避其他物體，在建筑物內準確定位；而且，在暴風雨天氣里也能風雨無阻地飛行。

他們曾經(jīng)嘗試讓其微型無人機采用固定機翼，但需要添加足夠多的傳感器才能讓這種無人機有效地探測到障礙物，如此一來，這種無人駕駛飛機就太重了而無法飛起來。他們也嘗試采用直升機的形式，但直升機的旋翼一直糾纏在電線內。另外，他們也建造過一臺配備了發(fā)動機的氣球，但以上諸多嘗試都以失敗告終。

直到有一天，兩個人在酒吧小飲時，看到一只飛蛾突然猛烈地撞在了玻璃上并從中得到啟示。如果是微型無人機撞在玻璃上，必定會粉身碎骨，但飛蛾并沒有如此，而是從玻璃上彈開，拍了拍翅膀，恢復原狀，然后飛走了。兩人意識到他們能制造出一種人造系統(tǒng)，其撞擊到其他物體上之后，能立刻復原并繼續(xù)向前，這是一個創(chuàng)新。

這并非工程師們首次從自然界中借鑒和汲取設計靈感，尤其是當我們提到飛行時，從自然界中汲取的靈感和經(jīng)驗不勝枚舉。自然界中，有些飛行動物經(jīng)歷了近億年的進化過程，它們發(fā)展出了各具特色的空中飛行能力，其整體功能漸趨優(yōu)化，為當前的人造航行器和飛行器望塵莫及。其上億年進化得來的翅膀形態(tài)和飛行方式給了我們很多啟迪。

數(shù)個世紀以來，人類一直夢想有一天能像鳥兒一樣在天空中翱翔。早在古希臘，就流傳著關于翅膀的傳說：少年伊卡洛斯和父親狄德勒斯被諸神囚禁在孤島上。身為巧匠的父親便利用島上的蠟燭，制作了兩副精巧的羽翅，一副給自己，一副給伊卡，可以藉此飛出孤島，逃離囚禁的命運。15世紀70年代，意大利天才萊昂納多·達·芬奇畫出了一種由飛行員自己提供動力的飛行器，并稱這種飛行器為“撲翼飛機”。這種飛機模仿鳥兒、蝙蝠和恐龍時代的翼龍，具有多個膜狀翅膀。達·芬奇認為只有撲翼機才能既具備推力，又具備提升力。此后，有許多人開始模仿達·芬奇的畫作設計制造飛機，然而都逃不過失敗的命運，理想情況下能上下蹦跳幾下，最壞的結果則是摔成碎片。

后來，隨著技術的不斷發(fā)展，科學家們慢慢解開了自然界的很多謎題。與此同時，工程師們也研發(fā)出了第一架模仿昆蟲的、能飛行的交通工具，由此，為一類全新的設備——微型無人機的出現(xiàn)拉開了大幕。

揭開昆蟲飛行的秘密

盡管昆蟲和其親屬占所有動物物種（迄今為止，我們已知的動物共有90多萬種）的80%左右，但昆蟲飛行的力學原理一直是個未解之謎。傳統(tǒng)的固定機翼飛機主要依靠機翼上穩(wěn)定的氣流來飛行。直升機和旋翼機也是如此。但因為昆蟲的翅膀會不斷地前后拍打，所以它們周圍的空氣也在持續(xù)發(fā)生變化。而且，蜜蜂和其他昆蟲短而粗的翅膀能夠提升的重量之大，用傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)的空氣動力學原理根本不足以解釋。

在科學家們能理解拍翼飛行之前，他們首先必須能看見其最幽微的細枝末節(jié)。在上世紀70年代，英國劍橋大學的丹麥籍動物學家托克爾·韋斯-福用高速攝影術對正在不斷盤旋的昆蟲翅膀的精確運動進行了分析并同昆蟲的形態(tài)學特征進行比較。借此，他推導出了一個通用的昆蟲飛行理論，其中包括他稱為“拍撲效應”的原理。這種原理指出，昆蟲在初始時刻將翅膀重疊在一起，隨后再突然將翅膀分開，這種運動會把空氣帶走并且制造出一種低壓的“小口袋”。接著，空氣又會再次殺入“小口袋”中，形成一個不斷旋轉的渦旋。這種渦旋制造出的力對在昆蟲的翅膀拍動期間將昆蟲提升起來必不可少。韋斯-福指出，同樣的漩渦或許可以由翅膀的角度和旋轉所產生，從而產生額外的提升力。

20年后，計算機技術也對這一理論產生了興趣；科學家們也開始將這些原理應用到人造系統(tǒng)上。英國劍橋大學的查爾斯·艾靈頓建造出了一雙機械翅膀，能夠精確地模擬鷹蛾的運動。鷹蛾是世界上飛行速度最快的昆蟲，大約每小時可飛行52千米。艾靈頓將研制出的機械翅膀置于一個充滿了煙霧的風洞中，如此一來，當昆蟲拍動翅膀時，他就能分析其運動的流體動力學原理。另外，美國加州大學伯克利分校的神經(jīng)生物學家邁克爾·迪金森則建造了一對機器果蠅的翅膀，其能模擬一只果蠅的一舉一動。

借用這兩組機械翅膀，這兩名科學家分別總結出了各自研究的昆蟲飛行的空氣動力學原理。

1998年，迪金森和電子工程師羅恩·費林獲得了美國國防部預研局（DARPA）提供的250萬美元獎金，以應用這些原理來研制一臺昆蟲大小的機器人。他們找了一位名叫洛博·伍德的研究生和他們一起工作，伍德的主要任務是幫助他們研發(fā)技術來制造出細小的零件并將其組裝成一對鑷子，這些工作繁瑣且耗時。2004年，伍德找到了非常有效的方法，即使用極其高效且奇異的材料來復制昆蟲翅膀的運動。他建造了一個陀螺儀，能模擬昆蟲用來探測身體旋轉的傳感器；而且，他也研究出了方法，可以在微尺度上制造復雜的系統(tǒng)。

將知識變成機器人

2006年冬天，伍德完成了一個60毫克重的機器人，其擁有3厘米長的翼展以及家蠅大小的胸部，該機器人同一臺計算機相連，計算機的機箱上塞滿了高壓放大器和數(shù)據(jù)采集設備。測試之前，伍德仔細地檢查了它們之間的連接和信號。

接著，他迅速打開發(fā)動機，當他的小型機器人的翅膀開始振動時，他發(fā)現(xiàn)這種振動將機器人提到空中并持續(xù)了幾秒鐘。他耗費7年時間就為了這一刻。不過他還要花上5年時間，才能取得下一個突破：讓這種微型機器人沿著預先編好的路線持續(xù)穩(wěn)定地飛行。

2012年夏天，他取得了里程碑式的成功，他的實驗室成功研制出了一款名為“機器蜜蜂（RoboBee）”的模型，結果表明，這種精巧的機器能升入空中并首次展示出了穩(wěn)定的盤旋以及可控制的飛行技巧。

現(xiàn)在，伍德已經(jīng)成為微尺度機器飛行領域的泰斗，而其他研究人員則通過使用撲翼動力學來減少能攜帶負載的飛行設備的大小。

2011年，位于美國加州的航空環(huán)境公司（AeroVironment）展示了其名為“納米蜂鳥”的無人機，這架可以放在口袋的人造蜂鳥偵察機的長度僅16厘米，兩翼展開為19厘米，重19克，裝有電池、電機、攝像機和通訊器材，可以人為遙控，垂直攀爬或下降、側飛、前進和后退，也可順時針和逆時針旋轉?！凹{米蜂鳥”依靠自身電力可以在空中停留11分鐘，向前飛行速度可達17.6千米/時。

“納米蜂鳥”的成功標志著人類在室內無人偵察和監(jiān)控領域進入了一個新的高度。2010年，航空環(huán)境公司收到了美國政府2182份“大烏鴉”便攜式無人偵察機的訂單?！按鬄貘f”重不到2千克，翼展約1.3米，使用電池驅動，可攜帶紅外攝像機，最大巡航速度近100千米/時，續(xù)航時間60～80分鐘?！按鬄貘f”非常小巧，分解后可以放入背包內。它主要用于戰(zhàn)地偵察，士兵直接用手投擲起飛，2003年以來，“大烏鴉”在阿富汗得到了廣泛使用，并受到美軍高度評價。此外，2012年10月，美國TechJect公司公布了一款手掌般大小的飛行機器人，它的外形就如同一只蜻蜓。據(jù)悉，這個機器人的重量還不到5.5克，可拍攝高清晰度的圖片，也可通過Wi-Fi控制iPad或智能手機。這款無人機身體里擁有20個傳感器，能夠用來進行航拍、特技飛行或者是自主安全巡邏和監(jiān)控。這款無人機利用了一種名為共振的空氣動力學原理。當空氣密度、風速以及“蜻蜓”身體組織的重量完美平衡時，“蜻蜓”的翅膀拍動的效率最高，此時，翅膀的拍動會制造出渦旋波，這些渦旋波會合并在一起。TechJect公司的總裁賈揚特·拉蒂表示，撲翼飛機利用共振能顯著提升其能效，用最小的努力制造出最優(yōu)化的提升效果。

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期的碰撞所導致的損害這一問題，因此，古烈和瓦內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。

古烈和瓦內克仔細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，確保其腿部首先接觸到玻璃。在那一瞬間，翅膀一動不動。每當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。瓦內克說：“通過翅膀的拍動，飛蛾能撞擊并快速恢復，這一點非常不容易，目前，還沒有人造系統(tǒng)能做到這一點。”

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)進行了完美的控制。當這一設備被風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穩(wěn)定。

去年2月份，他們讓采用這種方法研制出來的、名為InstantEye的小型無人機參加一年一度的美國陸軍遠征勇士試驗，成為獲得最高排名的機型之一。當被拋到空中時，InstantEye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)進入市場并受到各方追捧，但工程學上的挑戰(zhàn)仍然存在，其中最大的障礙在于電源。與塊頭大一點的InstantEye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。伍德正使用微構造來試圖讓其上負載的電池盡可能小，并與其他研究人員合作，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)。他認為，未來一兩年內，這樣的設備應該就可以研制出來。

古烈和瓦內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，InstantEye更擅長從陣風導致的偏擺以及微小的碰撞中恢復過來，但其螺旋槳仍然與電線糾纏在一起。

而研制機器飛蛾的迪金森在華盛頓大學領導的實驗室則在使用高級成像系統(tǒng)對昆蟲的飛行進行更加深入地研究。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神經(jīng)細胞的活動。他將這些神經(jīng)細胞同一個飛行模擬系統(tǒng)連接在一起，并對其進行視覺刺激。例如，讓其觀看食肉動物的圖像等，以引起它們的反應，希望借此了解昆蟲大腦內的神經(jīng)細胞如何處理與飛行有關的信息以及傳感信息如何被翻譯成特定的行為，最終目的是皮節(jié)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家們研制出更輕量、更智能的無人機，而其應用范圍當然也更廣闊。古烈和瓦內克計劃將InstantEye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的微型遙控無人偵察機的第一批使用者。這款名為“黑色大黃蜂”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行偵察，以預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使用，比如幫助警察和特警在辦公大樓或銀行內部等收集腳印；在災區(qū)搜尋幸存者；它們也能監(jiān)測交通和環(huán)境狀況；在野外收集數(shù)據(jù)。

無論最終的應用如何，微型無人機都不再是達·芬奇等人的夢想。它們已經(jīng)一飛沖天，靈巧，能很快恢復且自帶電源。