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脑洞|无人机研究人员从蝙蝠、油鸱等动物中获得灵感

2018-02-08 10:09:44  来源 : 飞机e族


        警用装备网讯:丹麦的 Danish Drone Strategy 旨在将丹麦置于最先进的无人机技术的前沿。商业用户和无人机操作员的数量都在增加,但出于安全考虑,该法律要求无人机在无人机驾驶员的视线范围内操作。

这个要求限制了无人机在良好能见度条件下的使用,以及无人机的其他潜力。例如常规的监测任务可能会受到雾天或多云天气的阻碍。而紧急情况,如森林火灾或燃烧的建筑物,可能会受益于无人机控制的无人机,它们具备自动识别障碍物的能力。我们如何进一步开发和优化无人机技术,以避免这种担忧?

从来自南美洲的油鸱身上寻找答案可能会是方法之一。油鸱结合了回声定位和极其敏感的视觉,找到了穿越黑暗洞穴的途径。解码它们是如何做到这一点的,可以帮助开发无人驾驶飞机。在此之前先来看看一些我们如何模仿自然的例子。

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积极的感官知觉和仿生灵感

通过模仿自然的形状和功能,生物学家和工程师们创造了所谓的仿生机器人,它们是跑酷的专家,能像蜥蜴一样听到声音,闻起来像嗅探犬。为什么类似的灵感不能导致无人机导航系统的改进呢?比如那些已经适应了可变或低光照条件的动物。

大多数感觉系统都是被动的,依靠外部信号来激活神经系统。例如光能被要求激活我们的视觉,使我们能够看到。回声定位是少数几个不依赖外部能量的感觉之一。相反,动物本身通过主动发出信号来探测周围环境,然后从周围的环境中传送感觉反馈,然后大脑就会对这些信号进行解释。

蝙蝠:回声定位的无冕王

大多数人都知道蝙蝠是回声定位的专家,在夜空中穿行,通过发出声音来捕捉猎物,并倾听它们周围的回声,这让他们可以区分好吃的零食和障碍。

一个物体的大小与回声定位信号中所包含的频率之间的物理关系决定了物体返回时的回声强度。一般来说,信号频率越高,可以检测到的物体就越小。蝙蝠最常用的超声波频率高于我们的听力范围,这使得它们能够探测到只有几毫米大小的物体,比如昆虫。

蝙蝠是回声定位的无冕之王,它们的生物声纳功能得到了很好的研究,从而为无人机声纳开发仿生模型。但由于它们比目前大多数无人机都要小得多,也更具机动性,这使得它们成为一个难以使用的模型。它们作为回声定位专家的地位是 6500 万年进化的结果。

它们有巨大且复杂的外耳来帮助它们确定声音和回声的方向,以及内耳的放大部分,以及大脑中专门用来处理声音输入的高度发达的部分。科学家们一直在仿生机器人中努力模仿着这些先决条件。

油鸱:用羽毛包裹的油脂

油鸱是一种奇怪的夜间活动和以水果为食的鸟类,生活在南美热带雨林中。在它们离开鸟巢前不久,年轻的油鸱宝宝的体重大大超过了父母 400 克的体重。和许多种类的鲸鱼一样,这些油鸟被当地人和早期的欧洲殖民者猎杀,用它们的脂肪来做灯和烹饪。

尽管重量相当大,但大翅膀和高达近一米的翼展使得它们能像蜂鸟一样在天空中几乎一动不动地盘旋。相反地,它们不能在一条腿上保持平衡,也不能在垂直的表面上栖息,这对于一只在黑暗洞穴里筑巢的鸟来说是一个奇怪的缺陷,它们白天会躲藏起来。

对油鸱感觉系统的研究表明,它们远不止是羽毛上的油脂。就像蝙蝠一样,它们也可以利用回声定位来移动,并在它们在白天栖息的黑暗洞穴中的巢穴中飞行。

油鸱不利用回声定位来捕猎。虽然它们是夜间活动的,但它们主要是通过视觉导航,而且可能对任何脊椎动物都有最敏锐的观察力。他们在悬崖峭壁上无法平衡需要精确的着陆技巧,尤其是在一个漆黑的洞穴里,那里有上百只鸟可以在任何时间飞行,而且噪音水平也非常高。回声定位帮助鸟类解决这一难题。

油鸱很难研究,因为它们很害羞,没有被长时间囚禁过,而且栖息在难以接近的地方。所以我们对它们的回声定位系统仍然知之甚少。油鸱有趣之处在于,与蝙蝠不同,它们能够在没有大的外部耳朵、超声波或任何已知的神经系统听觉特征的情况下使用回声定位技术。

通过研究油鸱在自然界的回声定位行为,最近发现它们根据周围环境的光水平,积极调整声音信号的音量。研究者用多个麦克风记录了这些鸟飞进飞出洞穴入口的情况。

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通过这种方式,我们可以利用麦克风记录的声音信号来确定鸟在空中的位置,并首次计算出它们声纳信号的强度。声音在远离光源时失去能量,但是这种损失是可以预测的,如果知道发送者和接收者之间的距离,可以对它进行补偿。

模仿油鸱比蝙蝠更容易

记录显示,在满月附近的良好光照条件下,油鸟发出较低强度的声纳信号,而当周围的光水平降低时,它们通常会增加无月夜的音量。

这意味着它们增加了回声定位的范围,因为他们发现视线更难看到。这两种感觉系统之间的相互作用指导它们的行为和优化他们的表现,因此可以解决在变光条件下航行的挑战。因此,油鸱可以为仿生研究提供一个合适的模型系统,这可能有一天会使无人机的导航技术得到改进。

下一个阶段回到雨林,用麦克风和其他录音设备把小背包放在鸟身上。通过这种方式可以更准确地了解鸟类听到的声音,他们说的是什么,以及它们如何调整自己的行为,以适应它们在翅膀上漫游自然栖息地时所经历的光线和声音。

虽然人类对脊椎动物的感觉系统有一些了解,特别是视觉和听觉,但要研究几个系统之间的相互作用常常是困难的。使用背包可以让研究者测量鸟在任何时候接收到的感觉输入(光和声音)。因为回声定位是一种主动的感觉系统,可以直接将这个输入的变化与它们在自然栖息地的行为方式联系起来,以改变它们的飞行和回声定位输出。

从长远来看,究结果最好能得到神经生理学数据的补充,这将帮助研究翻译视觉和听觉输入是如何整合在油鸱的大脑里的。然后

 



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