【姚望前沿】半生物半机械“活蜻蜓无人机”试飞成功——“赛博格”无人系统的重大突破
2017年，美国德雷珀实验室（CSDL）和霍华德•休斯医学研究所(HHMI)合作研发的“活蜻蜓无人机”（DragonflEye）试飞成功，标志着“赛博格”（Cyborg）无人机时代的到来，这是“赛博格”无人系统领域的一项重大突破。
“赛博格”活蜻蜓无人机的研究背景
“赛博格”（Cyborg）即机器化生物（半生物半机械），以无机物所构成的机器作为身体的一部份（包括人与其它动物在内），藉由人工科技来增加或强化生物体的能力。一直以来，仿生学家都期望能够模仿造物主鬼斧神工的生物设计和构造。虽然科学家已经尽可能地从各个方面模仿自然界中昆虫的飞行来制造微型无人机，然而目前还没有任何机械仿生无人机能够比得上昆虫本身的飞行效率和机动性。
蜻蜓是动物界视力最佳的有翼昆虫，每只复眼表面覆盖着30000块微小镜片，且任一镜片形状结构均与相邻镜片不同，来自数万个独特视角的信息流入蜻蜓的大脑，在那里合成超强视野，使得它可以同时看清几乎所有方向，且由于最多含有33种不同的光敏蛋白，可看到远多于人类的惊人细节，图像清晰度和精确性满足蜻蜓高速飞行捕食需要；蜻蜓飞行性能出色，其翅膀上加厚的翼眼角质组织，使其高速飞行时，在挥翅频率30～50次的高频振动下，免受颤振危害。
德雷珀实验室，即Draper实验室，与霍华德•休斯医学研究所(HHMI) 合作，将微型导航技术、合成生物技术以及神经科学技术相结合，研发出一种新型混合无人机系统——“赛博格”活蜻蜓无人机（DragonflEye）。它将科技与生物相结合，用技术改造蜻蜓本身，使其获得可控制及自主导航飞行功能。
“赛博格”活蜻蜓无人机的结构原理
活蜻蜓无人机将太阳能控制背包装备于活蜻蜓（图1），由背包产生光脉冲控制蜻蜓大脑神经元，指挥蜻蜓按照指定方向飞行。德雷珀实验室负责研发电子背包，而霍华德•休斯医学研究所负责为蜻蜓神经元加入感光基因。蜻蜓可以在保留其原生飞行技能的前提下被操控飞行，而这是其他微型空中机器人所不具备的。
装备背包引导系统的活蜻蜓无人机
“赛博格”活蜻蜓无人机应用了以下关键技术。
1.合成生物技术。将类似于眼睛感光功能的基因片段嵌入蜻蜓的“转向神经元”中，使这些神经元具有光刺激敏感性，可被电子背包中的接口发送的特定波长的脉冲光波激活。
2.柔性光极技术。传统光纤过于坚硬，不适于包裹蜻蜓微小而脆弱的神经索。德雷珀实验室开发出一种新型柔性“光极”结构，能够以亚毫米级精度弯曲光束，从而能够精准地定位神经激活的靶向位置，并且不会损坏相邻的成千上万的神经元。
3.背包引导系统。蜻蜓身上绑定指甲大小的电子背包（图2），里面包含电路板、传感器和太阳能电池，为人类与蜻蜓之间的信息中转站。
蜻蜓背包引导系统的开发板与零部件特写
背包采用太阳能为主要动力，无需电池即可运作。编码后的人类指令经由电子背包转换成光信号，通过接口发送到昆虫大脑的特殊“转向”神经元。经过修饰后的神经元被光脉冲激活后，将接收到的信号传送到翅膀，从而激发昆虫飞向指定的方向。蜻蜓的神经元在这个过程中不会受到影响，也不会受到破坏。
4.小型化技术。活蜻蜓无人机利用MEMS等技术，将微型导航系统、微型能量补给系统等与昆虫配套使用，引导重要的行为。
“赛博格”活蜻蜓无人机的优势及应用前景
活蜻蜓无人机将太阳能控制背包装备于活蜻蜓（图1），由背包产生光脉冲控制蜻蜓大脑神经元，指挥蜻蜓按照指定方向飞行。德雷珀实验室负责研发电子背包，而霍华德•休斯医学研究所负责为蜻蜓神经元加入感光基因。蜻蜓可以在保留其原生飞行技能的前提下被操控飞行，而这是其他微型空中机器人所不具备的。
活蜻蜓无人机代表的是一类全新的微型飞行器，比其他任何人造飞行器都更加微小、轻盈和隐秘。这种飞行器将能量收集、运动感知、算法、微型化以及光遗传学等各种先进技术都集成在一个昆虫能够负载的微型背包系统中。
1.续航性能。传统机械无人机通常只能配备非常有限的电池，续航时间只有几十分钟。活蜻蜓无人机系统不需要飞行电源，背部的太阳能电路板只需要提供导航所需的电能，由于昆虫能够自行摄取食物补充飞行能量，因而在其存活期内的飞行动力成本几乎为零。只要有食物、水和阳光，活蜻蜓无人机的续航能力就可达数月。
2.机动性能。蜻蜓在仅有约 600 毫克的重量下，能实现 9 倍重力加速度，并且体积小，擅于长途飞行。
未来活蜻蜓无人机可应用于以下领域:
1.自动驾驶。通过建立运动捕捉室，用于监控蜻蜓精确的飞行运动，并从导航系统中收集数据，适用于精准自主导航车载跟踪算法的开发。
2.军事侦察。活蜻蜓无人机出色的续航性能和机动性能，可使其长时间对目标区域进行隐蔽侦察，将战场态势数据实时传回以进行决策，具有巨大潜力。
未来，活蜻蜓无人机将进一步减小背包引导系统体积，将各项功能模块集成于一个更小单一芯片上，并具备更强大的功能。
【姚望前沿】专栏文章汇总（可点击查看）：
序号 | 篇名 | 发表日期 |
1 | 2017.12.15 | |
2 | 基于微机电系统技术的微推进器发展简析（下） | 2017.12.15 |
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