自從昆蟲學誕生以來（或多或少），科學家們一直在思考“雄心壯志”中提出的問題，這是吉米·範·休森和薩米·卡恩為 1959 年電影《騙局》創作的一首歌曲，由弗蘭克·辛納屈主演：究竟是什麼讓那隻小螞蟻認為它能移動那棵橡膠樹？
斯蒂芬·普拉特是亞利桑那州立大學生命科學學院的副教授，他和任何人都一樣瞭解答案。他運營著 普拉特實驗室，研究人員在那裡研究昆蟲社會如何獲取食物、築巢以及如何相處。他表示，非常簡短的答案是，螞蟻使用集體、分散的智慧來執行復雜的任務。這也有助於它們缺乏自保的本能，並且只專注於推進群體任務的行動。
這些特徵引起了機器人工程師的興趣，例如賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系的教授維傑·庫馬爾。他和他的 GRASP（通用機器人、自動化、感測和感知）實驗室的研究人員正在開發“蜂群”式無人飛行器，以協同工作。這些裝置每秒進行數百次測量，計算它們彼此之間的位置，為特定任務協同工作，並且同樣重要的是，儘管它們快速移動並以緊密的隊形飛行，但仍能避免相互碰撞。庫馬爾和他的同事們正在利用普拉特實驗室的情報，特別是關於螞蟻如何在沒有任何中央指揮官的情況下進行溝通和合作的資訊，使蜂群式無人飛行器更加自主。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方法是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
毫不奇怪，軍事工業聯合體、礦業公司、農業和各種其他行業都迫不及待地想要部署無人機群用於各種應用——但一些自然資源保護主義者和科學家也是如此，他們看到了無人機群在測繪、監測和感知自然環境方面的效用。
英國利物浦約翰摩爾斯大學的靈長類動物生物學教授、保護無人機的聯合創始人塞爾日·維奇表示，無人機使他的研究效率顯著提高。他追蹤和監測猩猩，這是一個耗時費力的過程，需要徒步穿越蘇門答臘雨林來尋找和研究巢穴。然而，藉助安裝在無人機上的攝像頭，他一天內可以監測的土地面積比步行多幾個數量級。
但是，無人機群可以做的不僅僅是增加科學家可以監測的土地面積。它們還可以提供進入困難地點或情況的能力。“如果你想監測大面積區域的非法活動，例如偷獵野生動物或伐木，你必須不斷地監視它，”維奇說。單架無人機最多隻有一兩個小時的電池續航時間。但是無人機群可以克服這個限制。當任何單架無人機的電池耗盡時（它們的耗盡速度會因攜帶的感測器或記錄時間的長短而異），它可以自動返回基地營地，而 另一架無人飛行器會取代它。此外，一架無人機可能攜帶攝像頭和 GPS 接收器，而其他無人機可能攜帶用於 CO2、甲烷、光、溫度或溼度的感測器。“我認為這有巨大的潛力，”維奇說。
然而，關鍵詞是“可能”。儘管這段極其 高科技的雷克薩斯商業廣告 可能會讓您相信，但蜂群式無人機尚未準備好“開出停車場”，可以這麼說。除了世界各國各種不斷演變的法規限制了無人飛行器的使用地點和方式之外，蜂群式無人飛行器機隊目前主要在學術實驗室內部執行，而不是在科學家進行環境研究的許多偏遠角落。這是因為它們價格昂貴且複雜：您無法使用從 iTunes 下載的智慧手機應用程式來協調蜂群式飛行迷你機器人的機隊。然而，尚未實現。此外，在實驗室內部實現的超精確運動無法在室外複製。那是因為在實驗室中，運動捕捉攝像頭用於對空間和時間運動進行極大的控制，而在室外使用 GPS 訊號來繪製無人飛行器地圖則比較粗糙。但在未來幾年，所有這些障礙——法規、成本、可訪問性——都將消除。
無人機本身就是工程奇蹟，但無人機群真正提高了操作它們所需的各種網路協議和處理能力的門檻。工程師們正在研究昆蟲行為，以此作為如何程式設計無人飛行器以完成快速、複雜、自主功能的靈感，這並不奇怪。但不要稱之為仿生學，庫馬爾說。
“當萊特兄弟第一次嘗試製造飛機時，他們使用了拍打翅膀，但這行不通，”他說。“所以他們製造了受自然啟發但沒有模仿自然的機翼。”
庫馬爾也以同樣的方式，正在研究例如一隻螞蟻如何招募其他螞蟻來幫助它建立新的蟻群，因為這可以幫助他開發演算法來程式設計無人飛行器，以招募其他無人飛行器來協助它完成給定的任務。或者他可能會研究螞蟻如何協同工作來移動一塊食物，以此作為程式設計無人飛行器來抬起原木並拍攝它們在下面發現的任何東西的靈感。
“一些螞蟻物種非常擅長集體運輸，”普拉特說。“它們招募人員來選擇合適大小的螞蟻團隊。它們沿著崎嶇的地形移動物體。因此，對於作為生物學家的我和作為工程師的維傑來說，問題是：每隻螞蟻都在遵循什麼規則？”
為了回答這個問題，普拉特和維傑正在合作進行實驗。在一個實驗中，他們將一個嵌入壓力感測器的小物體，上面覆蓋著無花果醬，放在物種為 Aphaenogaster cockerelli 的覓食螞蟻面前。然後，他們記錄每隻螞蟻施加的推力和拉力。“我觀察物體的形狀，然後，透過觀察它，我可以確定哪些螞蟻在拉，哪些螞蟻在推，”庫馬爾說，“並梳理出它們扮演的角色。”
他們瞭解到，螞蟻基本上是透過反覆試驗來弄清楚誰應該推，誰應該拉。“想象一下，你和我正在抬著一張桌子穿過房間，而你被蒙上了眼睛，”庫馬爾解釋說。“我們怎麼知道誰需要用力？如果你觀察螞蟻施加的力，隨著時間的推移，抵消另一隻螞蟻的力會被最小化。它們學會了——有意識或無意識地——隨著時間的推移改進平衡策略。”
到目前為止，庫馬爾已經能夠將這種學習策略轉化為如何程式設計陸地機器人，使其相互協作以實現共同目標。最終，他希望對空中機器人也這樣做。
當然，機器人工程師還需要提高昆蟲般無人機的飛行技能。為此，加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學副教授米歇爾·馬哈比茲正在研究甲蟲的飛行。他透過給甲蟲配備微型“揹包”將甲蟲變成小型的電子生物，揹包中包含微控制器、電池和無線電裝置，微小的導線插入甲蟲的大腦和用於飛行的動力肌肉中。這種裝置使馬哈比茲能夠透過刺激某些肌肉並研究其反應來嘗試偏向甲蟲的飛行。
“如果不讓昆蟲飛行，就很難推斷出昆蟲在飛行中做什麼，”馬哈比茲解釋說。“過去人們研究過較大的動物，或者他們將昆蟲輕輕地系在繫繩上[以收集資料]，但它們並沒有真正自由飛行，這最終掩蓋了[某些功能]。”
當工程師們深入昆蟲世界以製造更好的機器人時，維奇正在等待著有一天他能夠像現在為他那簡陋的組織獲得單架無人機一樣獲得蜂群式無人飛行器：透過使用現成的零件自己組裝它們。
庫馬爾表示，那一天會比預期更快到來。首先，從資料儲存到感測器的所有事物的“價效比”都在迅速下降，這意味著迭代和創新的障礙也在減少。“我實驗室的學生可以在兩小時內設計和製造出一架飛行機器人，”他自豪地說。此外，協調無人飛行器群所需的通訊協議——例如網狀網路，它允許裝置彼此直接傳送和接收訊息，而不是透過主控制器——正在迅速變得更加強大。
“在偏遠地區構建定製機器人的能力……實現這一目標的機會每天都在增加，”庫馬爾說，他補充說，他看到了使用無人飛行器進行環境監測並最終透過科學而非政治影響政策制定的巨大潛力。“通常科學受到質疑是因為我們沒有資料，”他說。在收集環境資料方面，“我認為空中機器人可以發揮巨大的作用。”
本文由 氣候機密 製作，並根據 知識共享署名 4.0 國際許可協議 釋出以供重複使用。