英国研究人员根据蚊子夜间导航原理开发无人机新型规避系统

彩林

近日，英国研究团队利用蚊子夜间飞行原理研制出一种四轴无人机，其研究结果发表在《科学》杂志上。在研究报告中，详细阐述了蚊子如何通过感知翅膀拍打产生的气流变化来避开黑暗中的障碍物，并根据蚊子夜间导航为无人机配备防撞感知系统。

该研究团队由来自英国皇家兽医学院（RVC）的Richard Bomphrey教授牵头，成员包括来自利兹大学生物医学学院的Simon Walker博士等。他们利用对雄性库蚊（Culex quinquefasciatus）的感觉机制，为自主式四轴无人机开发了一个仿生规避系统，该系统可模仿昆虫捕获空气动力学信息，从而获得躲避障碍物的能力。

夜间活动的蚊子能够在黑暗中飞行，轻松落在人类或其他动物身上觅食，并保持隐蔽。这些夜间活动的蚊子仅使用机械感应就可实现对物体的感知。机械感应是对机械刺激的响应，使他们无需使用眼睛即可感知障碍。

蚊子和其他会飞的动物通过加速周围的空气飞行，在每个拍打的翅膀下面产生快速的喷射。这些射流遇到地面或墙壁等障碍物后会改变形状。由于蚊子头部触角底部有一组灵敏的受体，叫做“约翰斯顿器官”，蚊子能够探测到气流模式的这些变化。研究人员称之为“空气动力学成像”：它能让蚊子无法通过身体接触感觉到表面时感知周围的世界，即使是在黑暗中。

研究团队利用基于蚊子飞行的高速记录的计算流体动力学模拟，研究地面和墙壁对身体周围气流的影响。他们发现了一个趋势：触角上的“约翰斯顿器官”在低海拔地区很容易探测到气流的变化，而在高海拔地区，这种反应会减弱。气流模式差异最大的一个位置出现在头部上方，这意味着昆虫的触角处于最佳位置，可以感知这些变化，尽管它们离地面最远。

飞机和直升机飞行员非常熟悉一种名为“地面效应”的现象，这种现象在离地面非常近时往往会起作用，通常在低于两个机翼长度的高度时会很明显。

研究人员利用采集到的新数据预测了库蚊能够探测表面的最大距离：超过20个翅膀长度，远远大于基于现有空气动力学模型的预期探测距离。Simon Walker博士表示，蚊子是昆虫中的一个异类，它们的翅膀很长，扇动频率极高。它们在飞行过程中使用了非传统的空气动力学，这项研究为它们的进化之谜提供了另一块拼图，也为工程师提供了鼓舞人心的技术。研究团队的下一步计划是将空气动力学成像的概念转移到微型四轴无人机上，在无人机上安装一个由连接到压差传感器的探针管阵列制成的生物激励传感器装置。通过测量四轴无人机周围的气流速度，研究人员可确定探头的放置位置，以获得最大的灵敏度。当传感器模块放置在接近表面时气流变化最大的区域时，其性能与蚊子一样达到最佳。这个简单的模型能够在足够远的距离内成功地探测到表面并发出警报，从而在接近地面和墙壁时避开障碍物。与以往的表面感应四轴无人机研究不同，该模型只需要基本的阈值，几乎不需要任何处理就可以工作，且轻巧、节能，也易于扩展。