王岐朋等

仿生無(wú)人機(jī)的飛行方式高度擬合真實(shí)的鳥(niǎo)類

《急先鋒》電影里，仿生無(wú)人機(jī)搭載著高精度偵察設(shè)備，將戰(zhàn)斗態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)傳回指揮中心進(jìn)行分析，并將結(jié)果傳輸?shù)疥?duì)員隨身攜帶的終端，這種“千里眼，順風(fēng)耳”在作戰(zhàn)行動(dòng)中發(fā)揮了巨大作用，讓反派吃盡苦頭，也讓觀眾們不禁浮想聯(lián)翩，如果這種仿生無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中得以運(yùn)用，將會(huì)釋放更大潛能、產(chǎn)生更多新戰(zhàn)法，甚至顛覆未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)。事實(shí)上，仿生技術(shù)早已不止一次在人類軍事科技競(jìng)爭(zhēng)中大放異彩，只是隨著科技不斷發(fā)展，人們逐漸淡忘了那些大自然生物饋贈(zèng)給我們的靈感。如今前沿軍事科技進(jìn)入瓶頸期，人類幾次科技革命創(chuàng)新的“家底”逐漸匱乏，或許又到了人類“問(wèn)道”大自然的時(shí)候。

模擬自然界飛鳥(niǎo)的撲翼飛行其實(shí)是人類祖先最古老的飛行之夢(mèng)，中國(guó)古代就有墨子“為木鳶，三年而成”，“公輸子（魯班）削竹木以為鵲，成而飛之，三日不下”的記載，后來(lái)，意大利天才藝術(shù)家達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)了燕子撲翼式飛行器。但是，由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平限制，這些古老的撲翼飛行之夢(mèng)都遇到了難以逾越的鴻溝壁壘，人們不得不把目光轉(zhuǎn)向了固定翼飛行器和旋轉(zhuǎn)翼飛行器。

飛行之夢(mèng)，永不止息。1903年，萊特兄弟駕駛著世界上第一架飛機(jī)“飛行者一號(hào)”擁抱天空，寫下了飛機(jī)歷史的扉頁(yè)。而無(wú)人機(jī)的歷史，幾乎和有人機(jī)的歷史一樣長(zhǎng)，但受制于早期自動(dòng)控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的不足，在漫長(zhǎng)的歲月中，無(wú)人機(jī)都扮演了靶機(jī)的角色。

電影《急先鋒》中的仿生無(wú)人

魯班所造木

達(dá)·芬奇飛行器繪圖手稿

早期滑翔機(jī)

俄羅斯“雪鸮”無(wú)人機(jī)

1960年代，無(wú)人機(jī)首次在戰(zhàn)爭(zhēng)中大規(guī)模運(yùn)用，因當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，無(wú)人機(jī)在彼時(shí)扮演的角色非常邊緣化。直到1990年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛運(yùn)用，無(wú)人機(jī)逐漸成為空中戰(zhàn)場(chǎng)的霸主。

無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，聚焦了全世界的目光。不少國(guó)家著力研究“反無(wú)人機(jī)”技術(shù)，以專門應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)的攻擊。比如在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，不少國(guó)家針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)比較明顯的外形特征，豐富完善反偵察手段。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)在外形特征上的缺陷，已經(jīng)無(wú)法滿足指揮員對(duì)可靠情報(bào)的需求。于是，人們?cè)俅问捌鹉嵌未┰綍r(shí)空、回歸自然的夢(mèng)想，世界上主要國(guó)家又掀起了對(duì)仿生無(wú)人機(jī)的研究熱潮。

起初，人們對(duì)仿生的認(rèn)知只停留在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等較淺的層次，仿生設(shè)計(jì)也是以外形和表征為主，形成了具有原始特色的外形模仿方式。隨著新技術(shù)不斷升級(jí)發(fā)展，人類認(rèn)知突破了感官的邊界，把目光投向生物的行為方式和生存方式，繼而開(kāi)辟了仿生領(lǐng)域的新境界。

俄羅斯研制的“雪鸮”無(wú)人偵察機(jī)可搭載高精度偵察設(shè)備，用于精確定位目標(biāo)。在確定目標(biāo)坐標(biāo)后，無(wú)人機(jī)將使用自身裝備的激光照射器瞄準(zhǔn)摧毀敵方飛機(jī)、火炮等目標(biāo)。該型無(wú)人機(jī)質(zhì)量約5kg，可由單兵攜帶，續(xù)航時(shí)間40分鐘。其外觀和尺寸依照貓頭鷹設(shè)計(jì)制造，涂裝也力求還原，機(jī)身布滿灰色斑點(diǎn)，欺騙性十足，還采用了復(fù)合材料，使其很難被敵方雷達(dá)捕捉。

為了提高“雪鸮”的迷惑性，科研人員還對(duì)無(wú)人機(jī)的面盤進(jìn)行了1∶1高度還原。但是，無(wú)論“雪鸮”的外觀如何逼真，它采取的飛行方式還是傳統(tǒng)的固定翼滑翔，并沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)貓頭鷹的撲翼動(dòng)作，“騙”得了一時(shí)，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)很容易被識(shí)破。

真正的仿生無(wú)人機(jī)高手當(dāng)屬德國(guó)的費(fèi)斯托公司，其研發(fā)的“智能鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)，巧妙地讓無(wú)人機(jī)長(zhǎng)出了“翅膀”，可以完美模擬鳥(niǎo)類的飛行狀態(tài)，依靠翅膀提供飛行動(dòng)力。它的翅膀不僅可以上下拍動(dòng)，還能按照一定角度進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，甚至能模擬鳥(niǎo)類頭部實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，就連起飛與降落的姿態(tài)都模仿得惟妙惟肖。

德國(guó)費(fèi)斯托公司研制的“智能鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)

神奇的“仿生蝴蝶”無(wú)人機(jī)

“仿生蝴蝶”無(wú)人機(jī)的翅膀表面

如果說(shuō)“智能鳥(niǎo)”很科幻，那么該公司另一款明星無(wú)人機(jī)將會(huì)把你帶入魔幻的世界。“仿生蝴蝶”eMotion無(wú)人機(jī)是一款氣動(dòng)仿生無(wú)人機(jī)，第一眼看到它，簡(jiǎn)直像是一件精美的藝術(shù)品！費(fèi)斯托以大自然為靈感設(shè)計(jì)各種仿生動(dòng)物機(jī)器人并且非常逼真，每一個(gè)翅膀都能獨(dú)立操作。該無(wú)人機(jī)擁有蝴蝶一樣輕盈的外形，并且能夠展現(xiàn)成群結(jié)隊(duì)的蝴蝶一起飛舞的效果。該無(wú)人機(jī)翼展50cm，質(zhì)量?jī)H為32g，雙翼各配備微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其翅膀每秒擺動(dòng)1～2次。一次充電15分鐘可飛行3～4分鐘，速度可達(dá)2.5m/s?！胺律睙o(wú)人機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，不僅可用于工廠生產(chǎn)的后勤組織和監(jiān)控系統(tǒng)，也可用于組成無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)。

很多國(guó)家開(kāi)始把目光更多地聚焦在微型仿生無(wú)人機(jī)上，特別是仿昆蟲(chóng)無(wú)人機(jī)。相對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛鳥(niǎo)，昆蟲(chóng)的翅膀沒(méi)有復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一般只有翅脈，但它卻將飛行所需的動(dòng)力、升力和控制系統(tǒng)集于一體，能夠調(diào)節(jié)振幅、振頻和振角以應(yīng)對(duì)氣流變化，靈活避開(kāi)突然出現(xiàn)的障礙物，這在軍事上有很大的應(yīng)用潛力！

費(fèi)斯托“仿生蜻蜓”BionicOpter無(wú)人機(jī)與真正的蜻蜓一樣，能夠向任意方向飛行。它的四翼采用碳纖維制成，每秒可以拍打20次。精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)，仿佛把你帶回到工程學(xué)設(shè)計(jì)的課堂，這款“仿生蜻蜓”無(wú)人機(jī)不但可以實(shí)現(xiàn)減速和急轉(zhuǎn)彎，還能做到懸停和倒退，甚至能夠模擬直升機(jī)！

而由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)打造出的一款模仿果蠅飛行機(jī)制的DelFlyNimble四翼?yè)湟頍o(wú)人機(jī)，不僅成功擁有了像果蠅一樣超靈活的飛行機(jī)制，而且單次充電最大飛行距離長(zhǎng)達(dá)1km，速度可以達(dá)到7m/s。它還可以懸停在半空或執(zhí)行各種極端動(dòng)作，如俯沖和空中打滾。

“仿生蜻蜓”無(wú)人機(jī)

DelFly Nimble四翼?yè)湟頍o(wú)人機(jī)

美軍裝備的“納米蜂鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)9dbl6Qv4+0Et3JPAwMsdFZooPQPBMRQ2vbe9O7SCNNU=

作為最早將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到軍事領(lǐng)域的國(guó)家之一，美國(guó)在仿生無(wú)人機(jī)領(lǐng)域也是碩果累累。2009年，由美國(guó)航空環(huán)境公司研發(fā)的一種名為“納米蜂鳥(niǎo)”的撲翼式無(wú)人機(jī)進(jìn)入大眾的視野。該超微型無(wú)人機(jī)有蜂鳥(niǎo)一樣大小的翅膀，可在空中飛行和滑翔。這種新型超微型無(wú)人機(jī)投資210萬(wàn)美元，是第一種帶兩個(gè)翅膀的飛行器，利用翅膀進(jìn)行移動(dòng)和控制飛行。其質(zhì)量為10g，全長(zhǎng)不超過(guò)7.5cm，飛行速度可達(dá)到10m/s，空中飛行噪聲也比同類飛行器小。美國(guó)特種部隊(duì)購(gòu)置了一批該類無(wú)人機(jī)用于特種作戰(zhàn)，以協(xié)助特種部隊(duì)進(jìn)入有危險(xiǎn)的室內(nèi)環(huán)境清剿殘敵，或?yàn)榫褤絷?duì)員偵察障礙物背后的情況。目前美國(guó)的撲翼型無(wú)人機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小型化，可以制造出仿蜻蜓、蒼蠅等微型無(wú)人機(jī)。

值得一提的是，中國(guó)在仿生無(wú)人機(jī)領(lǐng)域也處于世界先進(jìn)水平，由西北工業(yè)大學(xué)專家領(lǐng)銜設(shè)計(jì)的代號(hào)“信鴿”的仿生撲翼型無(wú)人機(jī)可以混在鳥(niǎo)群中騙過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)的偵測(cè)，真正成為肉眼和雷達(dá)都無(wú)法識(shí)別的中國(guó)“間諜鳥(niǎo)”。

仿生武器是一種把偽裝發(fā)展到極致的戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)物，仿生無(wú)人機(jī)也不例外。當(dāng)人們運(yùn)用一定手段將具有迷惑性的羽毛或涂料與仿生技術(shù)完美融合，達(dá)到肉眼或者偵測(cè)難辨真假的程度，就會(huì)讓仿生武器煥發(fā)新活力。

近年來(lái)，隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的迅速變化，智能算法的廣泛運(yùn)用，偵察情報(bào)處理的速度得到質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)的迷彩光學(xué)偽裝圖案設(shè)計(jì)已不能滿足偽裝要求，研究人員正在研究破解生物遺傳進(jìn)化的基本機(jī)理，希望利用遺傳算法對(duì)偽裝圖案進(jìn)行優(yōu)選復(fù)制、交叉繁殖和變異繁殖等仿生化處理，改進(jìn)傳統(tǒng)偽裝圖案設(shè)計(jì)方法，提高偽裝效果。

我國(guó)研制的“信鴿”無(wú)人機(jī)

仿生無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方式及外觀與海鷗高度相似

仿生昆蟲(chóng)無(wú)人機(jī)

仿生無(wú)人機(jī)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)想有一天，邊境線上飛來(lái)一群遷徙的大雁，而這個(gè)時(shí)而排成“一”字時(shí)而排成“人”字的雁群中，有一只是仿生大雁，它能逼真到騙過(guò)真實(shí)的大雁，混入雁群。這只“大雁”時(shí)而在劍拔弩張的軍事基地悠游自在肆意偵察，時(shí)而駐足停息站在枝頭曬太陽(yáng)補(bǔ)充能源。

在軍事基地附近，正有一群蒼蠅在空中盤旋，一哄而散。其中一只“蒼蠅”通過(guò)下水管道、通風(fēng)口飛進(jìn)基地的辦公室，完成它該完成的使命;一只“麻雀”站在大型動(dòng)力設(shè)備的電線上，在火線和零線之間搭了一條美妙的弧線，“啪”的一聲，伴隨著“麻雀”羽毛燒焦，所有電源全部損毀;領(lǐng)空受到侵犯，戰(zhàn)機(jī)緊急起飛，跑道上卻飛來(lái)一群“白鴿”，飛行任務(wù)只好被迫延時(shí)……

或許，經(jīng)歷過(guò)這樣的戰(zhàn)爭(zhēng)再也沒(méi)有一個(gè)人能夠坦然面對(duì)身邊的飛鳥(niǎo)昆蟲(chóng)了，軍事基地的營(yíng)墻也會(huì)拉起高大的電網(wǎng)阻攔飛鳥(niǎo)，甚至連一只蒼蠅都不能放入營(yíng)門。

當(dāng)這些電影中的畫(huà)面真實(shí)出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中，我們將會(huì)感嘆，戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)被顛覆！據(jù)報(bào)道，有關(guān)國(guó)家找來(lái)試驗(yàn)人員對(duì)仿生無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)這些“飛鳥(niǎo)”從空中對(duì)地面人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，試驗(yàn)人員只會(huì)認(rèn)為從他們上方飛過(guò)的是普通鳥(niǎo)類，并沒(méi)有起絲毫疑惑。

可以預(yù)見(jiàn)，隨著前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，類似在科幻大片中才能看到的場(chǎng)景，將會(huì)逐步照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。不久的將來(lái)，各種“形神兼?zhèn)洹钡姆律鸁o(wú)人機(jī)將從實(shí)驗(yàn)室走向戰(zhàn)場(chǎng)，在叢林地帶、邊境巡邏、高原偵察、城市巷戰(zhàn)、特戰(zhàn)等場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。

仿生無(wú)人機(jī)無(wú)疑是當(dāng)今無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的一片“藍(lán)?！?。脫去偽裝的外殼，它是凝結(jié)了人工智能技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)的科技結(jié)晶。通過(guò)賦予其類似于動(dòng)物的外形樣貌甚至聲音等特征，來(lái)減弱其機(jī)器人的本質(zhì)屬性，從而執(zhí)行各類特殊任務(wù)。仿生無(wú)人機(jī)因其體形小、隱藏性好、靈活機(jī)動(dòng)，能夠較好適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，可出色執(zhí)行偵察、干擾和攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)，軍事應(yīng)用價(jià)值極大。

酷似鳥(niǎo)類或者昆蟲(chóng)的外形，給仿生無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)。由于體積小，且多采用復(fù)合材料，因此仿生無(wú)人機(jī)很難被雷達(dá)捕捉，即使被探測(cè)到也會(huì)被其“生氣勃勃”的外表所迷惑而被忽略，這樣就能夠成功抵近目標(biāo)，實(shí)施近距離偵察探測(cè)。

對(duì)于撲翼型仿生無(wú)人機(jī)，主要通過(guò)微型發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)翼產(chǎn)生升力與推力，無(wú)需額外加裝螺旋槳或者噴氣推進(jìn)裝置，這樣飛行所產(chǎn)生的聲音就能夠被最大程度地降低。如果在夜間進(jìn)行偵察，敵人更加難以識(shí)別與發(fā)現(xiàn)。

仿生無(wú)人機(jī)的撲翼運(yùn)動(dòng)方式

仿生無(wú)人機(jī)上攜帶著各種微型設(shè)備

仿生無(wú)人機(jī)依靠芯片等微型電器元件傳播信號(hào)

仿生無(wú)人機(jī)尺寸微小

除此之外，通過(guò)模仿動(dòng)物的飛行方式，撲翼型無(wú)人機(jī)只需調(diào)整機(jī)翼適應(yīng)不同的氣流，就可在狹窄的空間里活動(dòng)自如。因此在未來(lái)的城市戰(zhàn)場(chǎng)和反恐作戰(zhàn)行動(dòng)中，該類型無(wú)人機(jī)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，成為戰(zhàn)場(chǎng)“千里眼”。

仿生無(wú)人機(jī)無(wú)論在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都有極大的發(fā)展前景，但是和其他前沿科技產(chǎn)品一樣，它們也存在很多亟待解決的問(wèn)題，比如續(xù)航能力不足、靈敏度較差。

目前研發(fā)的仿生無(wú)人機(jī)大多采用電池供電和借助空氣升力兩種方式提供飛行動(dòng)力。借助空氣對(duì)流獲得升力的方式對(duì)環(huán)境的要求較高，采用鋰電池、太陽(yáng)能薄膜供電等方式提供的能量有限，因此需要進(jìn)一步研究動(dòng)力來(lái)源或提升電池的儲(chǔ)能效率。

另外，由于仿生無(wú)人機(jī)一般體形小巧，材質(zhì)輕盈，在駐足啟動(dòng)、變化路線、發(fā)射回收等環(huán)節(jié)，很容易受自然環(huán)境的影響，操作控制較為困難。需要加強(qiáng)對(duì)飛行控制系統(tǒng)魯棒性和抗干擾性的研究，也可以借助人工智能技術(shù)加快實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主避障、智能操控等功能。

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，新技術(shù)所帶來(lái)的科技潛力將會(huì)推動(dòng)仿生無(wú)人機(jī)不斷發(fā)展。如我國(guó)大疆公司正在研究利用云技術(shù)分析無(wú)人機(jī)傳感器傳回的數(shù)據(jù)，以此來(lái)解決無(wú)人機(jī)敏感度低的問(wèn)題。

時(shí)代的浪潮滾滾向前，科技創(chuàng)新的腳步一刻未息，在無(wú)人化、智能化為主導(dǎo)的未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，仿生無(wú)人機(jī)必將越來(lái)越趨于成熟，也必將被越來(lái)越多的國(guó)家重視。如何在關(guān)鍵領(lǐng)域解決卡脖子的難題，將會(huì)是我國(guó)在未來(lái)無(wú)人戰(zhàn)場(chǎng)能否取得主動(dòng)權(quán)的先決條件。相信在不久的將來(lái)，電影《急先鋒》中的場(chǎng)景將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，而仿生無(wú)人機(jī)也會(huì)成為一柄我國(guó)維護(hù)國(guó)家主權(quán)與安全，維護(hù)世界和平與穩(wěn)定的利劍。

編輯/吳瀟