丹麥的 Danish Drone Strategy 旨在將丹麥置于最先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)的前沿。商業(yè)用戶和無人機(jī)操作員的數(shù)量都在增加，但出于安全考慮，該法律要求無人機(jī)在無人機(jī)駕駛員的視線范圍內(nèi)操作。
這個要求限制了無人機(jī)在良好能見度條件下的使用，以及無人機(jī)的其他潛力。例如常規(guī)的監(jiān)測任務(wù)可能會受到霧天或多云天氣的阻礙。而緊急情況，如森林火災(zāi)或燃燒的建筑物，可能會受益于無人機(jī)控制的無人機(jī)，它們具備自動識別障礙物的能力。我們?nèi)绾芜M(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化無人機(jī)技術(shù)，以避免這種擔(dān)憂？
從來自南美洲的油鴟身上尋找答案可能會是方法之一。油鴟結(jié)合了回聲定位和極其敏感的視覺，找到了穿越黑暗洞穴的途徑。解碼它們是如何做到這一點(diǎn)的，可以幫助開發(fā)無人駕駛飛機(jī)。在此之前先來看看一些我們?nèi)绾文７伦匀坏睦印?/p>
積極的感官知覺和仿生靈感
通過模仿自然的形狀和功能，生物學(xué)家和工程師們創(chuàng)造了所謂的仿生機(jī)器人，它們是跑酷的專家，能像蜥蜴一樣聽到聲音，聞起來像嗅探犬。為什么類似的靈感不能導(dǎo)致無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的改進(jìn)呢？比如那些已經(jīng)適應(yīng)了可變或低光照條件的動物。
大多數(shù)感覺系統(tǒng)都是被動的，依靠外部信號來激活神經(jīng)系統(tǒng)。例如光能被要求激活我們的視覺，使我們能夠看到。回聲定位是少數(shù)幾個不依賴外部能量的感覺之一。相反，動物本身通過主動發(fā)出信號來探測周圍環(huán)境，然后從周圍的環(huán)境中傳送感覺反饋，然后大腦就會對這些信號進(jìn)行解釋。
蝙蝠：回聲定位的無冕王
大多數(shù)人都知道蝙蝠是回聲定位的專家，在夜空中穿行，通過發(fā)出聲音來捕捉獵物，并傾聽它們周圍的回聲，這讓他們可以區(qū)分好吃的零食和障礙。
一個物體的大小與回聲定位信號中所包含的頻率之間的物理關(guān)系決定了物體返回時(shí)的回聲強(qiáng)度。一般來說，信號頻率越高，可以檢測到的物體就越小。蝙蝠最常用的超聲波頻率高于我們的聽力范圍，這使得它們能夠探測到只有幾毫米大小的物體，比如昆蟲。
蝙蝠是回聲定位的無冕之王，它們的生物聲納功能得到了很好的研究，從而為無人機(jī)聲納開發(fā)仿生模型。但由于它們比目前大多數(shù)無人機(jī)都要小得多，也更具機(jī)動性，這使得它們成為一個難以使用的模型。它們作為回聲定位專家的地位是 6500 萬年進(jìn)化的結(jié)果。
它們有巨大且復(fù)雜的外耳來幫助它們確定聲音和回聲的方向，以及內(nèi)耳的放大部分，以及大腦中專門用來處理聲音輸入的高度發(fā)達(dá)的部分。科學(xué)家們一直在仿生機(jī)器人中努力模仿著這些先決條件。
油鴟：用羽毛包裹的油脂
油鴟是一種奇怪的夜間活動和以水果為食的鳥類，生活在南美熱帶雨林中。在它們離開鳥巢前不久，年輕的油鴟寶寶的體重大大超過了父母 400 克的體重。和許多種類的鯨魚一樣，這些油鳥被當(dāng)?shù)厝撕驮缙诘臍W洲殖民者獵殺，用它們的脂肪來做燈和烹飪。
盡管重量相當(dāng)大，但大翅膀和高達(dá)近一米的翼展使得它們能像蜂鳥一樣在天空中幾乎一動不動地盤旋。相反地，它們不能在一條腿上保持平衡，也不能在垂直的表面上棲息，這對于一只在黑暗洞穴里筑巢的鳥來說是一個奇怪的缺陷，它們白天會躲藏起來。
對油鴟感覺系統(tǒng)的研究表明，它們遠(yuǎn)不止是羽毛上的油脂。就像蝙蝠一樣，它們也可以利用回聲定位來移動，并在它們在白天棲息的黑暗洞穴中的巢穴中飛行。
油鴟不利用回聲定位來捕獵。雖然它們是夜間活動的，但它們主要是通過視覺導(dǎo)航，而且可能對任何脊椎動物都有最敏銳的觀察力。他們在懸崖峭壁上無法平衡需要精確的著陸技巧，尤其是在一個漆黑的洞穴里，那里有上百只鳥可以在任何時(shí)間飛行，而且噪音水平也非常高。回聲定位幫助鳥類解決這一難題。
油鴟很難研究，因?yàn)樗鼈兒芎π?，沒有被長時(shí)間囚禁過，而且棲息在難以接近的地方。所以我們對它們的回聲定位系統(tǒng)仍然知之甚少。油鴟有趣之處在于，與蝙蝠不同，它們能夠在沒有大的外部耳朵、超聲波或任何已知的神經(jīng)系統(tǒng)聽覺特征的情況下使用回聲定位技術(shù)。
通過研究油鴟在自然界的回聲定位行為，最近發(fā)現(xiàn)它們根據(jù)周圍環(huán)境的光水平，積極調(diào)整聲音信號的音量。研究者用多個麥克風(fēng)記錄了這些鳥飛進(jìn)飛出洞穴入口的情況。
通過這種方式，我們可以利用麥克風(fēng)記錄的聲音信號來確定鳥在空中的位置，并首次計(jì)算出它們聲納信號的強(qiáng)度。聲音在遠(yuǎn)離光源時(shí)失去能量，但是這種損失是可以預(yù)測的，如果知道發(fā)送者和接收者之間的距離，可以對它進(jìn)行補(bǔ)償。
模仿油鴟比蝙蝠更容易
記錄顯示，在滿月附近的良好光照條件下，油鳥發(fā)出較低強(qiáng)度的聲納信號，而當(dāng)周圍的光水平降低時(shí)，它們通常會增加無月夜的音量。
這意味著它們增加了回聲定位的范圍，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)視線更難看到。這兩種感覺系統(tǒng)之間的相互作用指導(dǎo)它們的行為和優(yōu)化他們的表現(xiàn)，因此可以解決在變光條件下航行的挑戰(zhàn)。因此，油鴟可以為仿生研究提供一個合適的模型系統(tǒng)，這可能有一天會使無人機(jī)的導(dǎo)航技術(shù)得到改進(jìn)。
下一個階段回到雨林，用麥克風(fēng)和其他錄音設(shè)備把小背包放在鳥身上。通過這種方式可以更準(zhǔn)確地了解鳥類聽到的聲音，他們說的是什么，以及它們?nèi)绾握{(diào)整自己的行為，以適應(yīng)它們在翅膀上漫游自然棲息地時(shí)所經(jīng)歷的光線和聲音。
雖然人類對脊椎動物的感覺系統(tǒng)有一些了解，特別是視覺和聽覺，但要研究幾個系統(tǒng)之間的相互作用常常是困難的。使用背包可以讓研究者測量鳥在任何時(shí)候接收到的感覺輸入(光和聲音)。因?yàn)榛芈暥ㄎ皇且环N主動的感覺系統(tǒng)，可以直接將這個輸入的變化與它們在自然棲息地的行為方式聯(lián)系起來，以改變它們的飛行和回聲定位輸出。
從長遠(yuǎn)來看，究結(jié)果最好能得到神經(jīng)生理學(xué)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，這將幫助研究翻譯視覺和聽覺輸入是如何整合在油鴟的大腦里的。然后這可以轉(zhuǎn)化為算法，提高無人機(jī)的精度、性能和自主移動的能力，不受限于無人機(jī)駕駛員的距離等因素。
?