“蜻蜓眼”受控生物無人機取得重要進展

2017年5月，美國前沿科技探索公司德雷珀實驗室（D ra pe r La b）公布了名為“蜻蜓眼”（DragonflEye）受控生物無人機的照片和飛行視頻。這種無人機在蜻蜓上加裝了電子背包，電子背包包含微型導航、微型太陽能電池和光極等系統。在電子背包的控制下，可實現蜻蜓根據人類指令飛行。相比傳統微型無人機，這種半生物、半機械的受控蜻蜓無人機擁有飛行時間長、機動和隱身性能好等特殊優勢，在軍用和民用領域均擁有廣闊的發展前景。

“蜻蜓眼”無人機的發展背景

“蜻蜓眼”是由德雷珀實驗室牽頭、霍華德？休斯醫學研究所參與研發的新概念無人機，以探索控制自然界生物飛行的可行性。德雷珀實驗室成立于 1932年，最初隸屬于麻省理工學院，主要研究航空導航技術，后成為獨立的非盈利機構，為國防、宇宙探索、醫療和能源等領域設計和研發創新性的技術解決方案。該實驗室曾研發出阿波羅登月計劃的太空導航、飛機電傳飛控、微機電系統（MEMS）、GPS/慣性復合導航等諸多先進技術，為提升美軍作戰能力做出卓越貢獻。

目前，德雷珀實驗室擁有員工1400多名，年度經費5億美元左右，研究領域主要包括：（1）制導、導航和控制（GNC）領域，主要研究GPS復合導航技術。（2）空戰和情報、監視與偵察（ISR）領域，正在研究納米飛行器和用于瞄準的情報技術。（3）自主系統領域，主要研究無人裝備自主算法。（4）微系統領域，重點開展定制封裝與互連技術研究。（5）生物醫療領域，主要研究 MEMS、計算建模、算法開發以及圖像和數據分析等技術，以及可穿戴或可植入醫療裝置、器官輔助裝置等設備。（6）新能源領域，打造可靠、高效的能量生成與消耗系統。

“蜻蜓眼”無人機結合了生物和機械兩方面特征，涉及微系統、神經、導航和新能源等各領域的前沿技術，屬于多學科交叉研究領域。德雷珀實驗室在上述領域的技術積累為“蜻蜓眼”無人機的研制打下了堅實的基礎。

“蜻蜓眼”無人機在軍用和民用領域均擁有發展空間。德雷珀實驗室受控生物無人機研發原本著眼于蜜蜂和農業生產領域，原因是近25年美國蜜蜂的蜂群密度縮減了一半，對農業生產帶來不利影響。為了使剩余蜜蜂集中力量高效授粉，需要研發出“受控蜜蜂”，按照人類指令完成作業。另外，“受控蜜蜂”還可通過記錄蜜蜂的飛行數據，檢測出蜂群飛行模式、遷徙路徑和整體健康情況，找出蜂群數量減少的原因。但由于把蜜蜂和電子背包結合存在困難，德雷珀實驗室最終選擇蜻蜓開展技術驗證。這種技術不但在農業和生物領域具有重要的使用價值，而且，還可以發展成為一種特殊的空中偵察裝備。德雷珀實驗室生物醫學專家兼項目首席研究員惠勒認為，“蜻蜓眼”無人機代表了一類全新的微型飛行器，各種先進技術都能集成在昆蟲能夠負載的微型電子背包中，比其他任何機械無人機都更加微小、輕盈和隱秘，將對未來空中ISR帶來顛覆性影響。

“蜻蜓眼”無人機的工作原理

霍華德？休斯醫學研究所把蜻蜓復眼中的感光基因植入神經索內控制飛行轉向的神經元的基因序列中。這種轉基因神經元的細胞膜上有一種特殊蛋白質，使細胞膜經光照后會打開離子通道，改變細胞內部的電勢，產生電流刺激肌肉揮動翅膀。另外，德雷珀實驗室為蜻蜓研發了只有人類指甲大小的包含光極、信號處理、微型導航和太陽能電池等系統的電子背包，這是人類與蜻蜓間的信息中轉站。其中，光極是一種比光纖更小的微型柔性光學結構，能夠以亞毫米級精度彎曲光束嵌入蜻蜓體內后可精準定位轉基因神經元的位置，且不會損壞相鄰的神經元。信號處理系統接收人類指令，并控制光極的光學特性。導航系統可對蜻蜓進行精確定位，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，使蜻蜓不被傳統電池或電線拖累。蜻蜓飛行時，經過編碼的轉向指令經由電子背包轉換成光信號，通過刺激“轉向神經元”使蜻蜓產生轉向的想法并行動，從而控制蜻蜓飛向指定的方向。

“蜻蜓眼”無人機的特點

“蜻蜓眼”無人機的特點主要包括：

（1） 保持了蜻蜓原生的高效飛行技能

“蜻蜓眼”不依賴誘騙昆蟲或直接刺激肌肉控制它們行動，而是采用光極直接將命令發送到蜻蜓的神經系統中。這意味著可以直接控制蜻蜓的想法，使它們自己想要采取動作，從而保留了蜻蜓的原生飛行技能，可高效地實現飛行、懸停或高達9倍重力加速度的機動能力。

（2） 通過捕食和陽光實現極強飛行耐久性

蜻蜓可通過捕食自行補充能量，而電子背包的能源也可通過太陽能解決。因此，在蜻蜓存活期內的“蜻蜓眼”的動力全部來自自然，留空時間很長。

（3） 蜻蜓在自然界的廣泛存在可保證具有良好的隱身效果

蜻蜓共有5000多種，在全球分布廣泛，另外其體型較小，使“蜻蜓眼”作戰過程中與大自然融為一體，隱秘效果極佳。

發展前景和展望

2017年5月，德雷珀公司公布了“蜻蜓眼”的飛行視頻，但僅顯示了蜻蜓本身的自主直線飛行，是否成功利用光極控制蜻蜓轉向并不可知。假設目前可控制蜻蜓轉向，但距“蜻蜓眼”的實際應用仍還存在一定距離。一是目前僅能控制飛行過程中的蜻蜓實現轉向，不能控制完成起飛、懸停和降落等復雜動作，即無法持續控制蜻蜓飛行，這導致蜻蜓受人類控制時間短、偵察能力相對受限。二是當前電子背包系統功能預計僅支持“蜻蜓眼”視距范圍控制，偵察半徑較小。未來可在背包中集成微型攝像系統，實現視距外操控。三是目前報道中并未說明是否使用人腦控制蜻蜓轉向，而未來可使士兵配裝腦機接口系統，用人類意念控制蜻蜓意念，縮短控制流程，實現蜻蜓受控近零時間差。

（1） “蜻蜓眼”無人機可在未來特種作戰中發揮重要作用

特種作戰擁有計劃周密、出其不意、速戰速決等特點，要求接敵時以隱蔽方式完成敵方信息獲取。微型無人機可隨身攜帶，單兵即可完成發射和操控，可以獲得目標實時視頻和靜止圖像，擴展了士兵的態勢感知范圍，可為特種作戰提供重要情報支撐。但是，目前的微型無人機仍存在性能瓶頸。一是電池容量有限且飛行效率較低，續航時間一般只有幾十分鐘。二是與自然界昆蟲相比，機動性能差，時敏目標偵察和脫困能力欠缺。三是由于存在噪聲和飛行特征與自然界昆蟲不同，隱身性較差，易暴露。目前，尚無任何傳統或仿生無人機能媲美昆蟲本身的飛行效率和機動性，另外，昆蟲還具備易被人類忽略和從自然環境中攝取能量提升飛行耐久性等諸多特點。因此，利用生物自身優勢，“蜻蜓眼”可成為未來空中態勢感知能力的新選項，在未來特種作戰中發揮重要作用。

（2） 生物技術是未來軍用裝備的重要技術來源

當今軍用技術的研發除聚焦以認知、機器學習和大數據為代表的人工智能技術外，軍用生物技術逐漸成為未來軍用裝備的重要技術來源。包含生物材料、生物計算和腦科學等在內的軍用生物技術可借鑒或利用自然界生物的優異結構和特殊功能，為武器裝備的顛覆性創新提供新源泉，并不斷催生全新作戰樣式和作戰理念。例如，在腦科學方面，通過控制蜻蜓等生物的行動實現“控腦”，使自然界生物成為幫助人類升級特種作戰能力的新裝備；通過大腦對各類裝備等的直接控制，減少或替代人類肢體操作，實現“腦控”，顯著提升作戰人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性；通過借鑒人腦構造方式和運行機理，開發全新信息處理系統或更加復雜的武器裝備，實現“仿腦”，大幅提高無人系統的智能化水平，可為云作戰、超級計算機等多個領域帶來重大變革；通過神經影像學和神經精神治療等研究實現“愈腦”，解決戰時腦損傷和戰后精神疾病。另外還可極大推動士兵作戰能力的提升，如解決睡眠障礙、降低腦疲勞、緩解心理壓力和延長有效作戰時間等。總之，自然界生物將繼續啟發人類創造出更加先進武器裝備，為戰斗能力的躍升做出重要貢獻。

（責任編輯：劉玲蕊）