“蜻蜓眼”無人機(jī)的發(fā)展背景

“蜻蜓眼”是德雷珀實(shí)驗(yàn)室牽頭，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）參與研發(fā)的新概念無人機(jī)，以探索控制自然界生物活動的可行性。德雷珀實(shí)驗(yàn)室成立于1932年，最初隸屬于麻省理工學(xué)院，主要開展航空導(dǎo)航技術(shù)研究，后成為獨(dú)立的非營利機(jī)構(gòu)，使命是在國防、宇宙探索、醫(yī)療和能源等領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研發(fā)創(chuàng)新性的技術(shù)解決方案，目前擁有員工1400多名，年度經(jīng)費(fèi)約5億美元，主要在6個技術(shù)領(lǐng)域開展研究：一是制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制（GN&C）領(lǐng)域，為美軍核潛艇、彈道導(dǎo)彈等裝備提供導(dǎo)航系統(tǒng)；二是情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）領(lǐng)域，曾研制出無人潛航器的ISR數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)；三是自主系統(tǒng)領(lǐng)域，曾為美空軍研制自主空投系統(tǒng)；四是微系統(tǒng)領(lǐng)域，制造出世界上體積最小、能耗最低的芯片尺寸原子鐘；五是生物醫(yī)療領(lǐng)域，主要研究可穿戴或可植入醫(yī)療裝置、器官輔助裝置等設(shè)備，制造了世界上首個人工血管網(wǎng)絡(luò)；六是新能源領(lǐng)域，打造可靠、高效的能量生成與消耗系統(tǒng)，推出了火力發(fā)電廠燃燒效率自主測量設(shè)備。HHMI則由前休斯飛機(jī)公司創(chuàng)始人霍華德·休斯組建，目前是全美最大的私人資助醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)，在神經(jīng)科學(xué)方面頗有建樹。

“蜻蜓眼”無人機(jī)結(jié)合了生物和機(jī)械兩方面特征，屬于多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。德雷珀實(shí)驗(yàn)室在微系統(tǒng)、神經(jīng)、導(dǎo)航和新能源等前沿領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富，與HHMI在能量獲取和神經(jīng)調(diào)制領(lǐng)域的優(yōu)勢結(jié)合，為“蜻蜓眼”無人機(jī)的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“蜻蜓眼”無人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域均擁有發(fā)展空間。德雷珀實(shí)驗(yàn)室受控生物無人機(jī)研發(fā)原本著眼于蜜蜂和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，原因是近25年美國蜜蜂的蜂群密度縮減了一半，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。為了使剩余蜜蜂集中力量高效授粉，需要研發(fā)出“受控蜜蜂”，按照人類指令完成作業(yè)。另外，“受控蜜蜂”還可通過記錄蜜蜂的飛行，檢測出蜂群飛行模式、遷徙路徑和整體健康情況，找出蜂群數(shù)量減少的原因。但由于把蜜蜂和電子背包結(jié)合存在困難，德雷珀實(shí)驗(yàn)室最終選擇蜻蜓開展技術(shù)驗(yàn)證。
 

“蜻蜓眼”無人機(jī)的工作原理、主要特點(diǎn)和發(fā)展前景

1．工作原理

首先，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所把蜻蜓復(fù)眼中的感光基因植入神經(jīng)索內(nèi)相關(guān)神經(jīng)元（控制飛行轉(zhuǎn)向，可稱之為“轉(zhuǎn)向神經(jīng)元”）的基因序列中。這種轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元的細(xì)胞膜上有一種特殊蛋白質(zhì)，使細(xì)胞膜經(jīng)光照后會打開離子通道，改變細(xì)胞內(nèi)部的電勢，產(chǎn)生電流刺激肌肉揮動翅膀。另外，德雷珀實(shí)驗(yàn)室為蜻蜓研發(fā)了只有人類指甲大小的包含光極、信號處理、微型導(dǎo)航和太陽能電池等系統(tǒng)的電子背包，這是人類與蜻蜓間的信息中轉(zhuǎn)站。其中光極是一種比光纖更小的微型柔性光學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠以亞毫米級精度彎曲光束，嵌入蜻蜓體內(nèi)后可精準(zhǔn)定位轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元的位置，且不會損壞相鄰的神經(jīng)元。信號處理系統(tǒng)接收人類指令，并控制光極的光學(xué)特性。導(dǎo)航系統(tǒng)可對蜻蜓進(jìn)行精確定位，在飛出控制范圍后方便人員尋找。太陽能電池為電子背包供電，使蜻蜓不被傳統(tǒng)電池或電線拖累。蜻蜓飛行時，轉(zhuǎn)向指令由人工編碼發(fā)送給電子背包，然后轉(zhuǎn)換成光信號并通過刺激“轉(zhuǎn)向神經(jīng)元”使蜻蜓產(chǎn)生轉(zhuǎn)向意念，從而控制蜻蜓飛向指定的方向。

2．主要特點(diǎn)

“蜻蜓眼”無人機(jī)主要有三個特點(diǎn)，一是保持了蜻蜓原生的高效飛行技能。“蜻蜓眼”從誘騙昆蟲或直接刺激肌肉來控制它們行動，升級到采用光極技術(shù)直接刺激蜻蜓神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。這意味著可以直接控制蜻蜓的動作指令端，從而保留了蜻蜓的原生飛行技能，具有高效飛行、懸停及高達(dá)9g的機(jī)動能力。二是通過捕食和光實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)飛行耐久性。蜻蜓可通過捕食自行補(bǔ)充能量，而電子背包的能源可通過太陽能補(bǔ)充。故在蜻蜓存活期內(nèi)的“蜻蜓眼”的動力全部來自自然，留空時間很長。三是蜻蜓在自然界的廣泛存在可保證良好的隱蔽性。蜻蜓共有5000多種，在全球分布廣泛，另外其體型較小，故“蜻蜓眼”作戰(zhàn)過程中與大自然融為一體，隱蔽性很好。

3．發(fā)展前景

“蜻蜓眼”不但可用于在農(nóng)業(yè)和生物領(lǐng)域，還可以發(fā)展成為一種特殊的空中ISR裝備。德雷珀實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)專家兼項(xiàng)目首席研究員惠勒認(rèn)為，“蜻蜓眼”無人機(jī)代表了一類全新的微型飛行器，各種先進(jìn)技術(shù)都能集成在昆蟲能夠負(fù)載的微型電子背包中，比其他任何機(jī)械無人機(jī)都更加微小、輕盈和隱蔽。

但是，目前“蜻蜓眼”離實(shí)用化還有距離，主要體現(xiàn)在3個方面：一是目前僅能控制飛行過程中的蜻蜓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，不能控制蜻蜓完成起飛、懸停和降落等復(fù)雜動作，即無法持續(xù)控制，導(dǎo)致偵察能力相對受限，未來需要完善控制。二是當(dāng)前電子背包系統(tǒng)功能預(yù)計(jì)僅支持在視距范圍內(nèi)控制“蜻蜓眼”，作用半徑較小，未來可能需在背包中集成微型攝像系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)視距外操控。三是目前報(bào)道中并未說明是否通過人腦控制蜻蜓轉(zhuǎn)向，操作可能有延遲，未來可能需為士兵配裝腦機(jī)接口設(shè)備，用人類意念操縱控制其飛行，縮短控制流程，實(shí)現(xiàn)蜻蜓受控近零時間差。
 

幾點(diǎn)看法

1．受控生物技術(shù)是一項(xiàng)熱點(diǎn)前沿技術(shù)，正不斷取得突破

受過訓(xùn)練的動物在戰(zhàn)爭中履行作戰(zhàn)任務(wù)貫穿古今，如我國古代曾使用信鴿傳遞軍情，現(xiàn)代美軍則訓(xùn)練海豚來探測水雷。但是，受訓(xùn)動物無法完全按人類指令行動，限制了其效能。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，受控生物技術(shù)正成為發(fā)展熱點(diǎn)。美國加州大學(xué)伯克利分校在美軍資助下推出受控花甲蟲，通過在肌肉植入電極控制昆蟲行動；我國上海交通大學(xué)通過把翻譯出的人類腦電波信號發(fā)送到植入蟑螂腦部的微電極，成功控制了蟑螂的行動；韓國科學(xué)技術(shù)高級研究院利用烏龜逃生時的趨光性，通過人類意念控制光源移動，實(shí)現(xiàn)了對烏龜行動的控制。德雷珀公司“蜻蜓眼”無人機(jī)則利用體積更小的柔性光極控制生物的行動意念，代表了受控生物技術(shù)的最新發(fā)展方向。

2．受控昆蟲類無人機(jī)在軍民用領(lǐng)域均擁有廣闊應(yīng)用空間

未來，如能解決高效持續(xù)控制、生物排異反應(yīng)和社會倫理道德等問題，受控生物可能對戰(zhàn)爭形態(tài)產(chǎn)生變革性影響，昆蟲間諜、鳥類無人機(jī)、魚類潛航器等半機(jī)械半生物裝備將極大地提升作戰(zhàn)的突然性、隱蔽性、持續(xù)性，成為新型戰(zhàn)斗力的重要來源。其中，受控昆蟲類無人機(jī)尤其適合特種作戰(zhàn)。目前，美軍特種作戰(zhàn)部隊(duì)依靠可由單兵完成發(fā)射和操控的便攜式無人機(jī)實(shí)現(xiàn)隱蔽的空中偵察，但當(dāng)前的便攜式無人機(jī)存在性能瓶頸：一是電池容量有限并且飛行效率較低，續(xù)航時間一般只有幾十分鐘。二是與自然界的昆蟲相比，機(jī)動性能差，缺少時敏目標(biāo)偵察和脫困能力。三是由于存在噪聲，且飛行特征與自然界昆蟲不同，隱蔽性較差，易暴露。目前尚無任何傳統(tǒng)或仿生無人機(jī)能夠媲美昆蟲的飛行效率和機(jī)動性，且昆蟲還具備易被人類忽略和從自然環(huán)境中攝取能量提升飛行耐久性等優(yōu)勢。因此，利用的生物自身優(yōu)勢，“蜻蜓眼”這類受控昆蟲類無人機(jī)可成為未來空中態(tài)勢感知的新選擇，在未來特種作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

在民用領(lǐng)域，光極等神經(jīng)學(xué)技術(shù)將有助于人類加深對大腦的理解，也加深對感知、行為和意識的認(rèn)識，有助于對阿爾茨海默癥（老年癡呆）、帕金森病、癲癇和創(chuàng)傷性腦損傷等重大疾病的診治，尋找出治療神經(jīng)疾病的新療法。