近日，來自英國利茲大學、英國皇家獸醫(yī)學院等機構(gòu)的研究人員從蚊子身上得到靈感，研發(fā)出一款自動化防碰撞系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于一個四軸飛行器。

飛行器在能見度低等復(fù)雜環(huán)境中飛行時，難以及時發(fā)現(xiàn)、躲避障礙物，極易發(fā)生碰撞。相關(guān)研究人員一直致力于提升飛行器防碰撞系統(tǒng)的預(yù)測能力，但現(xiàn)有的模型效果不盡人意。

最近，英國利茲大學、英國皇家獸醫(yī)學院等機構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)，夜間飛行的蚊子具有人類夢寐以求的飛行中精準閃避障礙物的能力——落到人或其他動物身上吸血時，蚊子往往動作輕柔，從不會一頭撞上去。

經(jīng)過仔細觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)這是因為蚊子有一種獨特的感應(yīng)模式。研究人員模擬了這種感應(yīng)模式，成功提升了微型四軸飛行器的防碰撞能力。

這項研究發(fā)表在權(quán)威學術(shù)期刊《Science》上，論文名稱為《受蚊子的空氣動力學成像啟發(fā)的自動飛行器的表面探測器（Aerodynamic imaging by mosquitoes inspires a surface detector for autonomous flying vehicles）》。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/634

一、蚊子夜間飛行的奧秘：感知氣流變化，勾勒周圍環(huán)境情況

要搞清蚊子準確閃避障礙物的原因，首先要明白蚊子的飛行原理。飛行時，蚊子會快速扇動翅膀，導(dǎo)致翅膀周圍形成空氣流場，借助空氣氣流的托舉作用飛行。

這些氣流在碰到墻壁等障礙物時會發(fā)生折射。研究人員發(fā)現(xiàn)，蚊子是通過感知氣流的變化來躲避障礙物的。

蚊子頭部觸角底部有一組極其敏感的感受器，被稱為“約翰斯頓器官（Johnston’s organ）”。在黑暗中，約翰斯頓器可以敏感地感知氣流變化，幫助蚊子勾勒出周圍環(huán)境的情況。這個過程也被研究人員稱為“空氣動力學成像（aerodynamic imaging）”。

為了進一步探究蚊子能夠感知到的障礙物距離，研究人員利用蚊子的高速飛行記錄進行了計算流體力學模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，約翰斯頓器官更容易檢測到低海拔（地面）位置的氣流變化，在高海拔（墻壁）時敏感性會降低。

研究人員猜測這種現(xiàn)象與“地面效應(yīng)”有關(guān)，即當蚊子貼近地面飛行時，氣流更容易被地面折射，蚊子的約翰斯頓器官能感知到的變化也就越多。

通過測量，研究人員發(fā)現(xiàn)蚊子能夠探測到障礙物的最遠距離約為大于20個翅膀長度，這一數(shù)值遠遠大于現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)的預(yù)期探測距離。

研究小組成員Toshiyuki Nakata博士表示：“我對蚊子避開周圍障礙物的精確度感到驚訝?！?/p>

二、仿生蚊子防碰撞系統(tǒng)：檢測更遠距離，幫助飛行器提前閃避

研究人員利用空氣動力學成像的概念設(shè)計出一款自動化防碰撞系統(tǒng)，并將其用于一個微型四軸飛行器。該自動化防碰撞系統(tǒng)的主要組件為仿生壓差傳感器。

通過測定飛行器周圍的氣流速度，研究人員確定了傳感器裝置的靈敏度下閾值，確保傳感器能夠接收指定最遠距離外障礙物反射的氣流變化。

接下來，研究人員使微型四軸飛行器在貼近地面、墻壁處飛行，并分別在系繩、手動駕駛、自動駕駛條件下進行了測試。

測試結(jié)果顯示，該微型四軸飛行器具有較強的閃避障礙物能力。微型四軸飛行器搭載的傳感器能夠檢測到較遠距離外的障礙物，這段距離足夠飛行器部署一個閃避動作。

相比于已有的防碰撞系統(tǒng)，這款仿生蚊子防碰撞系統(tǒng)還具有輕量、節(jié)能的優(yōu)勢，只需要進行基本的閾值設(shè)定就能使用。

結(jié)語：或能用于直升機

來自英國利茲大學、英國皇家獸醫(yī)學院等機構(gòu)的研究人員注意到了蚊子閃避障礙物的高超能力并進行相關(guān)研究，成功研發(fā)一款自動化防碰撞系統(tǒng)。實驗證明，這款自動化防碰撞系統(tǒng)能提升微型四軸飛行器的防碰撞能力。

研究人員表示，下一步將擴展這款自動化防碰撞系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。研究團隊成員Richard Bomphrey教授說：“（這個模型的應(yīng)用）不僅限于小型飛行器，這種障礙物偵測能力可以擴展到直升機，提升直升機在低能見度條件下飛行時的安全性?！?/p>