五年前，理查德·吉勒和汤姆·瓦内克坐在离他们办公室几条街区外的一家酒吧里，试图暂时忘掉工作。近一年来，这两位工程师一直在努力开发一种耐用的无人机，能够避开障碍物、在建筑物内部导航并在恶劣天气中飞行。他们尝试过固定翼模型，但为了有效探测障碍物而添加的足够多的传感器让它们过于沉重而无法飞行。他们尝试过直升机，但旋翼经常缠绕在树枝和电线上。他们甚至造了一个电动气球；一阵微风就能把它吹离航线。
他们一边啜饮着啤酒，一边看着一只苍蝇似乎撞上了窗户。与他们制造的无人机在接触时散架不同，这只昆虫撞到玻璃后弹开了，并恢复了飞行。然后它又重复了一次。
“这简直是顿悟，”在马萨诸塞州研发公司 Physical Sciences Inc. (PSI) 工作的一位瓦内克说道。“我们意识到，如果我们能制造出一种人造系统，能够撞击物体、恢复并继续前进，那将是一场革命。”
从自然界借鉴设计理念的想法由来已久，尤其是在飞行方面。古希腊人就曾幻想过代达罗斯，他为儿子制作了翅膀（不幸的是，效果好得有点过头）。列奥纳多·达·芬奇也绘制了手摇驱动的扑翼机草图。但直到最近，发明家们才缺乏足够的空气动力学专业知识，将草图转化为机械版的，如同苍蝇或蜜蜂一样常见的飞行器。随着技术的进步，科学家们已经破译了自然界的许多奥秘。工程师们也开发出了第一批受昆虫启发的飞行器，为一类全新的机器——微型无人机——打开了大门。
“就出色的设计而言，大自然比我们领先几亿年，”位于华盛顿特区布鲁金斯学会的研究员彼得·辛格表示。“明天你将看到的机器人将与你今天所知的任何机器人都不一样。更有可能的是，它们看起来会像你身边的动物。”
揭开飞行的奥秘
尽管昆虫及其近亲占世界动物物种的约80%——约有90万种已知类型——但其飞行的机制长期以来一直是一个谜。传统的固定翼飞机依靠稳定的气流流过机翼。直升机和旋翼也是如此。但当昆虫的翅膀前后扑动时，周围的空气却在不断变化。而且，蜜蜂和其他昆虫的短翅膀所能产生的升力，远超传统稳态空气动力学原理所能解释的范畴。
工程师们已经开发出第一批受昆虫启发的飞行器，为一类全新的机器——微型无人机——打开了大门。
在科学家能够理解扑翼飞行之前，他们首先必须极其细致地观察它。20世纪70年代，剑桥大学的丹麦动物学家托克尔·维斯-福格使用高速摄影技术分析了悬停昆虫的确切翅膀运动，并将其与昆虫的形态特征进行比较。由此，他提出了一个普遍的昆虫飞行理论，其中包括他称之为“拍打-甩动效应”。当昆虫的翅膀在上下拍打之间合拢然后分开时，这个动作会将空气甩开，产生一个低压区域。空气随后涌入这个区域，形成一个旋转的涡流。维斯-福格认为，这种涡流产生了在翅膀拍打之间支撑昆虫所需的升力。他推测，翅膀的角度和旋转也可能产生类似的涡流，提供额外的升力。
二十年后，计算技术赶上了理论，科学家们开始将这些原理应用于人造系统。剑桥大学动物学家、维斯-福格的前学生查尔斯·艾灵顿制造了一个能够精确模仿鹰蛾运动的机械翅膀。他将其放在充满烟雾的风洞中，以便在翅膀拍打时分析流体动力学。在加州大学伯克利分校，神经生物学家迈克尔·迪金森制造了一个模仿苍蝇自然运动的机械果蝇翅膀，并将其浸入两吨重的矿物油池中。独立工作的研究人员
以前所未有的精确度表征了飞行的空气动力学。
1998年，迪金森和电气工程师罗恩·菲尔丁获得了250万美元的DARPA资助，将这些原理应用于苍蝇大小的机器人。他们指派研究生罗布·伍德等人，协助开发制造微小部件的技术，并用镊子一丝不苟地组装它们。迪金森和菲尔丁还告知学生们需要复现哪些空气动力学见解。“苍蝇的飞行轨迹非常复杂。有很多微妙的现象发生，”伍德说。“迈克尔告诉我，最重要的特征是产生涡流和其他空气动力学效应。”
到伍德于2004年毕业并在哈佛大学开设自己的实验室时，他已经率先开发出一种使用极高能效的奇异材料来复制苍蝇翅膀运动的方法；他制造了一个能够模仿昆虫感知身体旋转的陀螺仪；并且他发明了在微观尺度上制造复杂系统的技术。剩下的就是将所有这些整合到一个能够工作的昆虫大小的飞行器中。
将见解转化为机器人
在2006年一个寒冷的日子，伍德来到他在哈佛的牛津街实验室。工作台放着一个重60毫克的机器人，翼展3厘米，胸部大约是家蝇大小。它通过一根线连接到一个六英尺高的计算机机架，里面挤满了高压放大器和数据采集设备。伍德仔细检查了连接和信号。
然后他打开电源，看着他微小造物的翅膀开始振动，将机器人抬升到空中几秒钟。伍德兴奋地跳了起来。他花了七年时间才走到这一步，而他的下一个突破——沿着预设路径持续飞行——还需要五年。2012年夏天，他收到了一个标志着这一里程碑的电子邮件。一名狂喜的研究生发来了一段关于实验室最新原型机（现命名为RoboBee）的视频更新。视频显示，这个精致的机器升入空中，并首次展示了昆虫大小飞行器的稳定悬停和可控飞行机动。
“那天晚上我都没睡，”伍德说。“第二天早上，我们喝了香槟什么的，但这更多的是一种解脱。如果我们做不到这一点，我们就得意识到我们一直都在做错事。”
伍德率先实现了微型机器人飞行；其他研究人员则利用扑翼动力学来减小能够携带有效载荷的飞行器的尺寸。2011年，总部位于加州的AeroVironment公司展示了其Nano Hummingbird。该飞机翼展16.5厘米；它可以垂直和水平飞行，并在强风中原地悬停。它重19克——比一些AA电池还轻——但它却携带了摄像头、通信系统和能源。
TechJect公司，一家源于佐治亚理工学院研究成果的衍生公司，最近推出了一款翼展六英寸的机械蜻蜓。它重5.5克（比一枚硬币还轻），并可配备模块化电子设备，实现高清视频和无线通信。TechJect Dragonfly利用了一种称为共振的空气动力学原理。当翅膀以最高效的频率拍打——当空气密度、翅膀速度和生物体的重量完美平衡时——它们会产生合并并增强的涡流波。TechJect总裁Jayant Ratti表示，这种声音效果就是蜂鸟的嗡嗡声或蜜蜂的嗡嗡声。采用共振的扑翼无人机在能效方面取得了显著的提高，以最小的努力产生最佳的升力。
Ratti和他的团队去年将该产品商业化，面向爱好者和早期采用者，并计划在2014年底为其他市场发布另一个版本。“市场反响非常热烈，”Ratti说。“这项技术尚未成熟，但正在逐步完善。我们仍在收集反馈并进行改进。”
打造更坚固的无人机
小型、脆弱的无人机无法解决意外撞击造成的损坏问题，因此吉勒和瓦内克将重点放在了耐用性上。在酒吧观察到苍蝇后，这两位工程师开始寻找在模仿昆虫飞行方面有经验的人。他们与伍德合作，伍德的实验室后来加入了哈佛大学的怀斯生物启发工程研究所，并共同申请了空军资助。然后，伍德的团队使用图像捕捉系统记录和分析了苍蝇在撞击玻璃之前、期间和之后的状态。通过密切观察苍蝇身体各部分的姿势，他们能够测量翅膀和腿部的确切翻转和扭转。
当吉勒和瓦内克放慢影片播放速度时，他们对所看到的景象感到震惊。“我以为苍蝇会翻滚一下，失去很多高度，”瓦内克说。“但苍蝇的恢复过程非常优雅。发生得如此迅速；令人惊叹。”
吉勒和瓦内克专注于苍蝇身体的独特几何形状。它的外骨骼有像手风琴一样的部分，充当了减震器。它似乎还能感知即将发生的碰撞。就在撞击发生前的那一刻，苍蝇以一个确保它的腿先接触玻璃的角度飞行。那一瞬间，翅膀停止了运动。每当苍蝇撞到窗户时，它都会本能地顺应碰撞的动量而坠落。但在几毫秒内，苍蝇的重心似乎就将其拉回到了一个稳定的位置。然后，它的翅膀再次拍打，将昆虫推进到可控的悬停状态。“它可以在两次或三次翅膀拍打内撞击并恢复，这真是太了不起了，”瓦内克说。“没有哪种人造系统能做到这一点。”
这两位工程师利用这些见解指导了一款坚固飞行器的开发。机身需要防震，翅膀需要独立控制。因此，他们设计了一个四旋翼飞行器的外壳，其中包含减震器——碳纤维和塑料部分之间的橡胶阻尼器。他们为四个旋翼都配备了独立的电机，以模仿四翼昆虫提供卓越控制能力的交替翅膀速度。当飞行器被风吹离位置或碰到障碍物时，其计算机检测到当前位置与预设飞行路径之间的差异，自动驾驶仪会立即启动以恢复稳定性。
去年二月，工程师们将他们的无人机，名为InstantEye，送往佐治亚州哥伦布市附近的本宁堡参加年度陆军远征战士演习，一支步兵排利用它来完成一系列分配的任务。士兵们给了它“绿色”评级，这是最高评级之一。
克服未来的障碍
随着第一代微型无人机推向市场，重大的工程挑战仍然存在。对于伍德来说，最大的障碍是能源。与尺寸大得多的InstantEye、Nano Hummingbird和Dragonfly无人机不同，RoboBees必须连接到外部电源。伍德正在利用微制造技术来缩小机载电池的体积，并且他正在与哈佛大学、华盛顿大学和麻省理工学院的研究人员合作，探索新型电池、微型燃料电池和无线电源传输。他估计，他距离首次自主动力演示只有一到两年的时间。
吉勒和瓦内克的目标是用扑翼取代他们四旋翼上的螺旋桨。InstantEye在从阵风和轻微碰撞中恢复方面比其他无人机做得好得多，但其螺旋桨仍然会缠绕在树枝或电线上。“我们想尽快将产品推向市场，”吉勒说。“但我们发现，扑翼的鸟类和昆虫非常适合在有动态障碍物的环境中飞行——树木在移动，树枝在移动。如果它们被卡住，它们会凭着自己的动作摆脱困境。它们会一路拍打过去。我们意识到，扑翼是唯一可行的方法。”
RoboBees可以搜寻灾难现场的幸存者，监测交通，或为农作物授粉。
还有迪金森，他发起了建造机械苍蝇的项目。如今，他在华盛顿大学经营着一个实验室，并使用先进的成像系统研究昆虫飞行。早期的摄像机每秒能捕捉大约3000帧。“15年前，苍蝇看起来就像小小的模糊不明飞行物，”他说。现在，生物学家使用的摄像机每秒可以达到7500帧，远高于研究人员过去曾拥有的水平，并且它们可以在红外光下工作。（更新：此句已重写以求清晰。其他摄像机可以达到更高的帧率。）迪金森的研究也超出了飞行分析的范畴；他正在使用电极记录昆虫大脑中神经元的活动。他将它们连接到一个飞行模拟系统，并向它们呈现视觉刺激——例如，一张捕食者的图片——促使它们作出反应。“我们可以开始了解大脑中的神经元是如何处理飞行信息的，以及感觉信息是如何转化为行动的，”迪金森说。“使罗布（伍德）的工作成为可能的是动物维持飞行基本机制。现在我们正在超越这些，去理解苍蝇是如何转向和机动的。”
了解大自然如何创造出卓越的传感器，可能会带来更轻巧、更智能的无人机。随着这些技术的进步，其应用范围也将不断扩大。吉勒和瓦内克计划将InstantEye出售给军方和执法部门。英国军队最近开始使用一种名为Black Hornet的微型无人机（一种手抛式直升机），在阿富汗侦察叛乱分子。微型无人机也可能在我们身边有更多用途。它们可以让警察和特警队在办公室、银行内部或摩天大楼之间收集视频，这些地方通常风力较大。
伍德设想了RoboBees更广泛的应用。他指出，一箱约1000架RoboBees的重量仅为一磅。它们可以轻松地运往灾区，用于搜索幸存者。它们还可以监测交通或环境，并帮助为农作物授粉。科研人员可以用它们在野外收集数据。
无论其应用是什么，微型无人机不再是工程师们像达·芬奇那样的梦想。它们正在腾飞——敏捷、坚韧，并且依靠自身动力。
亚当·皮奥尔上一次为《大众科学》撰写的关于天才的文章，发表在2013年3月号，主题是《当脑损伤释放出内在的天才》。
_本文最初发表于《大众科学》2014年1月号。_
