近日，來自英國利茲大學、英國皇家獸醫(yī)學院等機構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)，并將其應用于一個四軸飛行器。

飛行器在能見度低等復雜環(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。相關研究人員一直致力于提升飛行器防碰撞系統(tǒng)的預測能力，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模式。研究人員模擬了這種感應模式，成功提升了微型四軸飛行器的防碰撞能力。

這項研究發(fā)表在權威學術期刊《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”有關，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。”

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定就能使用。

結語：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)的應用范圍。研究團隊成員Richard Bomphrey教授說：“（這個模型的應用）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>