仿蛾扑翼无人机问世！追着光源悬停，秘密监视有新招

辛辛那提大学的研究人员研发出一款扑翼无人机，它能像被火焰吸引的飞蛾一样，定位并围绕移动光源悬停。

该项目由辛辛那提大学工程与应用科学学院助理教授萨梅赫·艾萨（Sameh Eisa）主导，有望为用于秘密监视的小型高效无人机开辟新道路。

艾萨和他的航空航天工程专业学生表示，其核心秘诀在于模仿昆虫的飞行方式。“我们对此感兴趣的原因在于尺寸——这是一种更优的设计。这些小型机器人必须像飞蛾一样飞行。”艾萨说。

飞蛾和其他会悬停的昆虫能在空中保持位置，甚至向后飞行。它们能本能地精准适应风力和障碍物。

艾萨研发的无人机也具备同样的能力，即便光源移动，它也能不断微调，维持与光源的距离和相对方位。

艾萨所在的建模、动力学与控制实验室专注于仿生工程研究。在早期研究中，他的团队曾开发出能像信天翁一样利用动态翱翔技术实现长距离高效飞行的无人机。

这款新型仿蛾无人机的灵感源自昆虫灵活的悬停能力，艾萨和博士生艾哈迈德·埃尔戈哈里（Ahmed Elgohary）通过一种名为“极值寻优反馈”的数学框架对其进行了描述。

研究人员在论文中提出，会悬停的昆虫可能也采用了类似的自然反馈系统。

“我们的模拟结果表明，极值寻优控制无需人工智能或复杂模型，就能自然复现昆虫身上观察到的稳定悬停行为。”论文主要作者埃尔戈哈里说。

他补充道，该系统依靠“一种简单、无模型且实时的反馈原理”，这或许能解释为何小型生物仅凭有限的脑力就能如此灵活地飞行。

无需人工智能的实时控制

与依赖全球定位系统（GPS）或人工智能的传统无人机不同，这款扑翼无人机通过持续监测自身飞行状态，实时调整飞行姿态。

该系统通过持续反馈对目标（此处为光源）进行优化控制。无人机的每片翅膀可独立扇动，以控制横滚、俯仰和偏航。肉眼看来，其快速的扇动会形成一片模糊的残影，类似蜂鸟的翅膀。

无人机的反馈回路使其能稳定悬停，甚至能复现飞蛾、大黄蜂、蜻蜓、食蚜蝇、大蚊和蜂鸟身上常见的细微晃动。

埃尔戈哈里和辛辛那提大学研究生罗汉·帕拉尼库马尔（Rohan Palanikumar）在艾萨的飞行实验室（一个保护无人机和操作人员的网状空间）中展示了这款无人机。

这款四翼无人机由金属丝和织物制成，借助极值寻优系统可实现起飞并保持悬停位置。埃尔戈哈里表示，手动控制要困难得多，且稳定性更差。

飞行过程中观察到的晃动并非缺陷，而是其工作过程的一部分。这些微小的振动有助于无人机评估飞行状态，并针对稳定性和飞行方向进行微调整。

来自自然界“工程师”的启示

像蜂鸟天蛾这样会悬停的昆虫，翅膀会以8字形轨迹运动，在上下扇动时都能产生升力。

它们的翅膀在每次扇动时都会灵活变形，赋予它们出色的操控性和敏捷性——辛辛那提大学的工程师们正将这一原理应用到机器人设计中。

艾萨认为，这项技术的意义不止于无人机领域。“它可能会改变生物物理学的诸多方面，”他说，“如果飞蛾等悬停昆虫确实采用了与我们的极值寻优反馈类似的机制，那么这种机制或许也在其他生物身上进化出来了。”