尖端武器中的动物灵感

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  人类历史上的战争总是离不开一些动物,比如马,几乎是与人类共同作战,成语“汗马功劳”就是对战马的最好褒奖。还有犬,因为听嗅灵敏,行动迅速,忠诚守信,英勇顽强,也成为战争中的重要成员,它们甚至在战斗中起着人力所不能及的重要作用。伊拉克战争中,美军出动海洋动物海豚、海狮进行排雷。
  无人机的灵感
  近年来呈现在公众面前的一系列微型无人机或微型空中飞行工具(MAV),都是依据昆虫飞行的原理打造出来的。美国五角大楼近日研制出了一种可以放入口袋的蜂鸟侦察机,长度仅16厘米,重量还赶不上一只AA电池。这种无人驾驶飞机每小时可飞行11英里,费时5年,耗资400万美元才研制成功。军方希望利用飞机上的微型摄像机在战区中侦察敌人的位置,而不会被发现,并最终把他们部署在农村和城市地区。专家希望这种“蜂鸟”最终能够穿越窗户和停留在电线上。在制造商Aero Vironment八分钟的展示上,“蜂鸟”从一扇门飞进一座大楼,随后又飞出来,并可以对抗每小时5英里的风力。“蜂鸟”研发团队负责人称,这种无人机的研制成功为新一代具有小鸟一样灵活性和外观的飞行器铺平了道路,并且挑战了空气动力学的极限。随着研发的进展,飞行时间还可能延长。
  美国空军还披露了一款无人机,称它为“致命迷你无人机”,是依据达?芬奇“扑翼机”蓝图设计的,并声称这种无人机准备在2015年前投入批量生产。美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室最近展示了像蜂群一样成群飞行的无人机,即由20架纳米四旋翼无人机组成的同步飞行阵列。报道称,单元可重组作战飞行阵列(SWARMS)的目的,是要将蜂群仿真技术与仿生无人机结合起来,“在几乎无人直接监控的情况下”,在“动态的、资源受限和敌对的环境”中执行任务。这种很难被发现的无人侦察机的未来很可能是模拟自然界。研究表明,可以对昆虫机械学实施逆向工程,以设计出微型机械装置,对战场进行侦察,并搜寻被困废墟瓦砾中的受难者。
  科学家们从那些经过千万年进化具备了完美飞行条件的动物身上获得了启发。长期以来,美国国防部高级研究项目局一直在对纳米—仿生MAV的设计方案进行研究。2008年,这家美国政府的军事研究机构举行了一场专题研讨会,讨论内容是“虫子、马胃蝇蛆、博格人和生物武器”。研究人员现在研发出的仿生无人机,有虫子的眼睛,蝙蝠的耳朵,鸟的翅膀,甚至还有蜜蜂的绒毛等,以感知生物、化学和核武器。法国已研发出扑翼微型仿生无人机。荷兰研发出一款鹦鹉AR无人机,目前作为一款“飞行电子游戏”可以在美国获得。
  触觉引发武器革命
  火箭升空利用的是反冲原理,这其实是水母、墨鱼的拿手好戏;蝙蝠的大耳朵能把发出的微弱声波反射到耳朵中央集中收听,大大提高了信号强度,射电望远镜、雷达、卫星地面站、太阳灶的天线便依此理制成。自然界里通过几十万年、几百万年甚至上亿年的“天择”而延续下来的物种一定在某一方面最适合于生存竞争。科学家因而提出了“自然的就是最好的”论断。人类研究、模仿生物为自身服务,从而形成了一门新兴的科学——仿生学。自然界是无穷尽的仿生源泉。自古以来,在战争需求的牵引下,便有武器装备研究人员致力于装备仿生的研究。他们从动物的特殊结构和特异功能中得到许多宝贵启示,并据此设计了无数张制造武器装备的蓝图,于是便有了军事仿生学。装备仿生研究还为设计无需预置程序就能解决大量军事问题的智能电子计算机开辟了新的前景:从生物神经控制到装备自动控制,从人工智能到军用机器人,从苍蝇到新一代灵巧机器人等比比皆是。
  实际上,动物对军队的贡献远不止于武器发明的启发,人类还从动物机理学到了科学研究的法宝。拿鸟类来说,从始祖鸟出现到现在,在亿万年的漫长进化过程中,鸟类所具有的导航、识别、计算、能量转换等系统,其灵敏性、高效性、准确性、抗干扰性都令人惊叹不已。人们研究这些结构和功能原理并加以模拟,用来改善现有的或创造新的机械、仪器、工艺。对鸟类这些特殊功能的研究利用,将会使飞机的性能进一步得到改善。人们根据海豚皮肤的特殊构造特点,如弹力大、减少游动带来的摩擦,研制一种合成的海豚皮肤,包裹在潜艇、舰艇、鱼雷和高速飞机身上,由此提高前进速度。海豚即使被蒙上眼睛也能分辨出两块金属之间的不同,海豚通过发出数以千计的轻微的滴答声,就可以知道目标离自己有多远,目标有多大,在何方向。
  因此军事研究人员开始运用此种原理,提高声纳系统。利用苍蝇惊人的嗅觉,仿制成了十分灵敏的小型气体分析仪。这种仪器现已装置在航天飞船的座舱内正为揭示宇宙奥秘而工作。小型气体分析仪也可用来测量潜水艇和矿井里的有毒气体,以便及时发出警报。通过研究老鹰眼睛的敏锐度结构,研制出类似鹰眼的搜索和探测系统,即“电子鹰眼”这一先进仪器,不仅能使飞行员的视觉得以扩大,视敏度也得以提高,而且还能提高地质勘探、海洋救生等多项工作的效率。
  小昆虫牵动大项目
  当你看到蜜蜂在你周围嗡嗡叫着挥动翅膀时,你要当心了,因为它有可能是“间谍蜜蜂”。美国军方利用仿生学原理研制此类微型飞行器,用来刺探敌情、侦察地形以及拍摄照片。美国空军披露了黄蜂大小的“间谍飞机”,它可以不被察觉地飞进大楼里进行“拍照、录音甚至攻击危险分子”。在那之后,美国军方对研究成果始终吞吞吐吐,这让人们对此类飞行器更加好奇。
  直到今年年初,宾夕法尼亚大学的GRASP实验室公布了他们的实验成果——四翼无人直升机,这个成果满足了人们的好奇心。视频显示,它可以翻转,避开障碍物,轻松转换方向;而且它可以形成一个机器群,可以在复杂的环境中工作,靠成员间的联系完成任务。科学家们现在已经开发出了一个“小东西”,它有着昆虫的眼睛、蝙蝠的耳朵和蜜蜂的触角,能识别生化武器以及核武器。五角大楼想让国防部的微型机器昆虫长得更加逼真,从而提高其稳定性。具体地说,国防部希望,它的微型飞行器能像昆虫一样,拥有大眼睛和多毛的翅膀。微型飞行器目前存在的主要问题与其应对动态环境(如风向改变或刮强风、移动物体及其他必须考虑的实时可变因素)的方式有关。微型飞行器体积微小,因此安装计算装置或传感器等有效载荷的空间不大。
  这还引出了一个难题:工程师们如何做到既要为微型飞行器缩小体积、提高性能,又要提高其环境感知及飞行中的数据处理能力?当遇到这种棘手问题时,用点仿生技术肯定不会有什么坏处。这正是五角大楼最近发放的合同所考虑的研究方向。最近五角大楼拨下来两笔科研津贴。如果这些钱能说明什么问题的话,那就是:未来的微型飞行器或许会在全身安装细毛发状的传感器,还会长出大大的复眼。传感器的作用是,让飞行器保持盘旋状态,并通过感知气流中最微弱的变化让飞行器维持飞行稳定性。这意味着,飞行器可在强风即将到来前有所感知,并且由此作出调整,以适应环境变化。此外,这还可以帮助飞行器在飞行过程中维持整体稳定性。
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