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    突破:“蜻蜓眼”受控生物无人机取得重要进展

    2017-09-27 11:26:43 来源: 中国航空报
    聊聊

    测绘网讯 5月,美国前沿科技探索公司德雷珀实验室(Draper Lab)公布了名为“蜻蜓眼”(DragonflEye)的受控生物无人机照片和飞行视频。这种无人机为蜻蜓加装包含微型导航、微型太阳能电池和光极(optrodes)等系统的电子背包,通过电子背包的控制,使蜻蜓按照人类的指令飞行。相比传统微型无人机,这种半生物、半机械的受控蜻蜓无人机拥有与蜻蜓类似的飞行时间、机动和隐蔽性,在军用和民用领域均拥有广阔应用前景。无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机,或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。



    “蜻蜓眼”无人机的发展背景


    “蜻蜓眼”是德雷珀实验室牵头,霍华德·休斯医学研究所(HHMI)参与研发的新概念无人机,以探索控制自然界生物活动的可行性。德雷珀实验室成立于1932年,最初隶属于麻省理工学院,主要开展航空导航技术研究,后成为独立的非营利机构,使命是在国防、宇宙探索、医疗和能源等领域设计和研发创新性的技术解决方案,目前拥有员工1400多名,年度经费约5亿美元,主要在6个技术领域开展研究:一是制导、导航和控制(GN&C)领域,为美军核潜艇、弹道导弹等装备提供导航系统;二是情报、监视与侦察(ISR)领域,曾研制出无人潜航器的ISR数据收集系统;三是自主系统领域,曾为美空军研制自主空投系统;四是微系统领域,制造出世界上体积最小、能耗最低的芯片尺寸原子钟;五是生物医疗领域,主要研究可穿戴或可植入医疗装置、器官辅助装置等设备,制造了世界上首个人工血管网络;六是新能源领域,打造可靠、高效的能量生成与消耗系统,推出了火力发电厂燃烧效率自主测量设备。HHMI则由前休斯飞机公司创始人霍华德·休斯组建,目前是全美最大的私人资助医疗研究机构,在神经科学方面颇有建树。

    “蜻蜓眼”无人机结合了生物和机械两方面特征,属于多学科交叉研究领域。德雷珀实验室在微系统、神经、导航和新能源等前沿领域经验丰富,与HHMI在能量获取和神经调制领域的优势结合,为“蜻蜓眼”无人机的研制打下了坚实的基础。

    “蜻蜓眼”无人机在军用和民用领域均拥有发展空间。德雷珀实验室受控生物无人机研发原本着眼于蜜蜂和农业生产领域,原因是近25年美国蜜蜂的蜂群密度缩减了一半,对农业生产带来不利影响。为了使剩余蜜蜂集中力量高效授粉,需要研发出“受控蜜蜂”,按照人类指令完成作业。另外,“受控蜜蜂”还可通过记录蜜蜂的飞行,检测出蜂群飞行模式、迁徙路径和整体健康情况,找出蜂群数量减少的原因。但由于把蜜蜂和电子背包结合存在困难,德雷珀实验室最终选择蜻蜓开展技术验证。



    “蜻蜓眼”无人机的工作原理、主要特点和发展前景


    1.工作原理

    首先,霍华德·休斯医学研究所把蜻蜓复眼中的感光基因植入神经索内相关神经元(控制飞行转向,可称之为“转向神经元”)的基因序列中。这种转基因神经元的细胞膜上有一种特殊蛋白质,使细胞膜经光照后会打开离子通道,改变细胞内部的电势,产生电流刺激肌肉挥动翅膀。另外,德雷珀实验室为蜻蜓研发了只有人类指甲大小的包含光极、信号处理、微型导航和太阳能电池等系统的电子背包,这是人类与蜻蜓间的信息中转站。其中光极是一种比光纤更小的微型柔性光学结构,能够以亚毫米级精度弯曲光束,嵌入蜻蜓体内后可精准定位转基因神经元的位置,且不会损坏相邻的神经元。信号处理系统接收人类指令,并控制光极的光学特性。导航系统可对蜻蜓进行精确定位,在飞出控制范围后方便人员寻找。太阳能电池为电子背包供电,使蜻蜓不被传统电池或电线拖累。蜻蜓飞行时,转向指令由人工编码发送给电子背包,然后转换成光信号并通过刺激“转向神经元”使蜻蜓产生转向意念,从而控制蜻蜓飞向指定的方向。

    2.主要特点

    “蜻蜓眼”无人机主要有三个特点,一是保持了蜻蜓原生的高效飞行技能。“蜻蜓眼”从诱骗昆虫或直接刺激肌肉来控制它们行动,升级到采用光极技术直接刺激蜻蜓神经系统进行控制。这意味着可以直接控制蜻蜓的动作指令端,从而保留了蜻蜓的原生飞行技能,具有高效飞行、悬停及高达9g的机动能力。二是通过捕食和光实现极强飞行耐久性。蜻蜓可通过捕食自行补充能量,而电子背包的能源可通过太阳能补充。故在蜻蜓存活期内的“蜻蜓眼”的动力全部来自自然,留空时间很长。三是蜻蜓在自然界的广泛存在可保证良好的隐蔽性。蜻蜓共有5000多种,在全球分布广泛,另外其体型较小,故“蜻蜓眼”作战过程中与大自然融为一体,隐蔽性很好。

    3.发展前景

    “蜻蜓眼”不但可用于在农业和生物领域,还可以发展成为一种特殊的空中ISR装备。德雷珀实验室生物医学专家兼项目首席研究员惠勒认为,“蜻蜓眼”无人机代表了一类全新的微型飞行器,各种先进技术都能集成在昆虫能够负载的微型电子背包中,比其他任何机械无人机都更加微小、轻盈和隐蔽。

    但是,目前“蜻蜓眼”离实用化还有距离,主要体现在3个方面:一是目前仅能控制飞行过程中的蜻蜓实现转向,不能控制蜻蜓完成起飞、悬停和降落等复杂动作,即无法持续控制,导致侦察能力相对受限,未来需要完善控制。二是当前电子背包系统功能预计仅支持在视距范围内控制“蜻蜓眼”,作用半径较小,未来可能需在背包中集成微型摄像系统等,实现视距外操控。三是目前报道中并未说明是否通过人脑控制蜻蜓转向,操作可能有延迟,未来可能需为士兵配装脑机接口设备,用人类意念操纵控制其飞行,缩短控制流程,实现蜻蜓受控近零时间差。

    几点看法

    1.受控生物技术是一项热点前沿技术,正不断取得突破

    受过训练的动物在战争中履行作战任务贯穿古今,如我国古代曾使用信鸽传递军情,现代美军则训练海豚来探测水雷。但是,受训动物无法完全按人类指令行动,限制了其效能。随着技术不断进步,受控生物技术正成为发展热点。美国加州大学伯克利分校在美军资助下推出受控花甲虫,通过在肌肉植入电极控制昆虫行动;我国上海交通大学通过把翻译出的人类脑电波信号发送到植入蟑螂脑部的微电极,成功控制了蟑螂的行动;韩国科学技术高级研究院利用乌龟逃生时的趋光性,通过人类意念控制光源移动,实现了对乌龟行动的控制。德雷珀公司“蜻蜓眼”无人机则利用体积更小的柔性光极控制生物的行动意念,代表了受控生物技术的最新发展方向。

    2.受控昆虫类无人机在军民用领域均拥有广阔应用空间

    未来,如能解决高效持续控制、生物排异反应和社会伦理道德等问题,受控生物可能对战争形态产生变革性影响,昆虫间谍、鸟类无人机、鱼类潜航器等半机械半生物装备将极大地提升作战的突然性、隐蔽性、持续性,成为新型战斗力的重要来源。其中,受控昆虫类无人机尤其适合特种作战。目前,美军特种作战部队依靠可由单兵完成发射和操控的便携式无人机实现隐蔽的空中侦察,但当前的便携式无人机存在性能瓶颈:一是电池容量有限并且飞行效率较低,续航时间一般只有几十分钟。二是与自然界的昆虫相比,机动性能差,缺少时敏目标侦察和脱困能力。三是由于存在噪声,且飞行特征与自然界昆虫不同,隐蔽性较差,易暴露。目前尚无任何传统或仿生无人机能够媲美昆虫的飞行效率和机动性,且昆虫还具备易被人类忽略和从自然环境中摄取能量提升飞行耐久性等优势。因此,利用的生物自身优势,“蜻蜓眼”这类受控昆虫类无人机可成为未来空中态势感知的新选择,在未来特种作战中发挥重要作用。

    在民用领域,光极等神经学技术将有助于人类加深对大脑的理解,也加深对感知、行为和意识的认识,有助于对阿尔茨海默症(老年痴呆)、帕金森病、癫痫和创伤性脑损伤等重大疾病的诊治,寻找出治疗神经疾病的新疗法。(测绘网 小会)

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