第6章 军事间谍机器苍蝇

无处不在的苍蝇似乎从不受人待见，但它们却是世界顶尖飞行高手之一。

在2013年，哈佛大学的研究人员宣布他们从苍蝇身上得到启发，经过多年研制，终于开发出了世界上第一款机器苍蝇，重量只有80毫克。

机器苍蝇的研究

在哈佛大学微型机器人实验室里，罗伯特伍德和他的同事研制了苍蝇机器人，并展现了其救援和侦察等功能。只要为这些机器人装上合适的传感器、飞行控制器和电池，就可以走出实验室投入使用了。它们可以敏捷地越过障碍物到达人们难以到达的地方。

例如，当地震导致地面断裂、房屋倒塌时，救援人员必须执行任务，穿过堆满碎石的街道去搜寻生还者，同时还要呼吸着充满有毒粒子的空气。

这时，可以让救援人员把数千个回形针大小的苍蝇机器人分散到整个灾区。这些小机器会侦测生命迹象，可以发现幸存者呼出的二氧化碳，或者侦测到幸存者的体温。

它们有的一组只有三只，不过总能使用自己的方式寻找幸存者。虽然有一些机器苍蝇可能撞碎了窗口的玻璃或者陷入死角，但是其他机器苍蝇可以从裂缝和横梁间进出。

当机器苍蝇发现幸存者时，它们会留在原地并使用剩余的能量向救援人员传递调查结果。它们会把无线电转换成低窄带频，再传递给事先在周围布好的接收网。所以，即使99%的机器苍蝇本身找不到了，搜索任务也是可以完成的。

机器苍蝇的设计

设计一个昆虫机器人比做一个飞机模型要复杂得多。不过，由于空气动力学的原因，昆虫的模型也各不一样。

在1999年，加利福尼亚大学伯克利分校的生物学家迈克尔迪金森，通过把一个25厘米大小的仿苍蝇翅膀浸没在矿物油中来模拟空气黏度。这次实验首次证实了在不同模式的气流中昆虫飞行的基本空气学原理。结果表明，昆虫能够使用三种不同的翼运动来创造并控制空气旋涡需要产生的上升力。

基于迈克尔迪金森的模式分析结果，罗伯特伍德和同事开始模仿制作令人难以置信的昆虫翅膀运动。其中，一部分挑战来自于许多有助于苍蝇飞行的系统，包括眼睛，特别是协调其感知运动和能够产生非定性空气动力，来驱动机翼的强大有力的肌肉。

许多昆虫通过调整自身双翼的振幅、飞行角度和腹部的收缩来控制它们的翅膀。苍蝇更是具有叫做平衡棒的特殊感知器官，它在飞行时能够感知身体的旋转。这个特性是它能够在空中盘旋、飞上飞下、附着在墙壁和天花板上的关键所在。

这项实验经过了将近十年的时间，一开始是和加利福尼亚大学伯克利分校的导师，电子工程教授在实验室做研究。后来，罗伯特伍德将它放在了哈佛大学的实验室里。这种小型飞行机器人也许预示着一个实用小规模机器人设计的新时代。

机器苍蝇的特点

罗伯特伍德和他的同事着重研究两翅昆虫，诸如家蝇、蚜蝇和果蝇等。苍蝇是地球上飞行能力极强的物种之一，虽然它们体型很小，但是天生健康强壮，在飞行时能够经得住各种猛烈的撞击。

苍蝇以其惊人的机动性，以及通过复杂到超过100赫兹的三维轨迹频率来振动和移动翅膀。它在盘旋时，上冲和下冲模式几乎是对称的，但是在起飞或者前行时却是极不对称的。

苍蝇通过使用间接的飞行肌肉产生巨大的振幅和高频的振翅。因为它们只改变自己的部分胸膛，在身体上产生共振机制，而不是改变自身的翅膀，较小的肌肉则直接连接到翅膀神经上，以便协调翅膀的运动。

对昆虫来说飞行就像是踩水一样。由于体型较小，苍蝇周围气流的黏性比鸟类或者固定机翼的飞机更大。它的翅膀运动所产生的空气动力，可以在千分之一秒内改变激烈的程度。

相反，传统的机翼却受制于平稳的气体流动。正是因为这个差异，预测飞机性能的分析工具对于动态飞行昆虫的效果甚微，这也使得罗伯特伍德和同事们的工作愈发地困难重重。

经过无数次的反复试验，他们研制的机器苍蝇以其自己独特的发展方式，在功能上越来越像真的苍蝇一样。

罗伯特伍德和他的同事运用了生物学最基本的两个原则：翅膀面积与身体重量的比例，以及翅膀的扑闪频率。还有，因为在这方面电子设备并不占优势，所以他们没有必要盲目地对无脊椎动物的生理进行模仿。

就拿昆虫胸膛、翅膀的弹性与结构属性来说，因为它们都是由角素构成的，所以，再坚韧的普通多聚糖化合物都比不上碳纤维的坚固。

机器苍蝇主体就是用碳纤维制成，体重只有80毫克，翼展3厘米。在飞行时，它每秒振翅120次，频率几乎接近真苍蝇，快到肉眼根本无法看清楚。同时，它还能够在空中盘旋并沿着预先设好的路线加速飞行。

机器苍蝇的结构

这种机器蝇像真正的苍蝇一样，有着相同的主要飞行结构。机身就像是真苍蝇的外骨骼，发动机就像是真苍蝇的飞行肌，传动机就像是真苍蝇的胸膛，机翼就像是真苍蝇的翅膀。

其实，每部分的功能都比较简单。机体必须为发动机和传动机提供一个坚实的机械地面，驱动器为机器蝇胸部的共振提供能源。最后，机翼必须在一些根本性不同的气动条件下，保持足够的刚性以维持自身形状。

罗伯特伍德使用的是制作精良、硬度适中的碳纤维增强复合材料，而不是激光微细加工的超薄材料。这些简便的技术使他们在一周之内就可以制作出一个机器蝇的原型。为了制作关节，他们在两个又薄又硬的碳化纤维中间割开裂缝，在其中间夹入了薄薄的聚合纤维，这样就可以来回弯曲而不会导致其失灵。

四个这样的关节都是用一系列长短不一、平而坚硬的碳纤维连接起来的。对于连接长度适当的选择，其传输可以让原来的小角度转动向相反方向做更大的运动。

为了使得发动机模拟真实的肌肉运动，研究人员为机器蝇增加了碳纤维混合物。这种碳纤维混合物是一种受电场可以改变形状的电镀材料。在设计这些电机时，不但要让它们保证有足够的能量供给，还要尽可能地使其更小更轻便。

电机的能源密度为每千克400多瓦，比普通苍蝇的翅膀肌肉能力高4倍以上。在成功模拟翅膀运动后，第二个突破口便是使用四根连接杆。令人满意的是，这种机制与双翅类昆虫非常相似，也是使用其胸腔来控制它们的翅膀运动。

罗伯特伍德和同事共同研发的新版机器蝇的重量只有60毫克，这与双翅类昆虫的重量几乎一样，而对自身的推力却是它们的两倍。这就跟真正的苍蝇几乎一样了。

为了保证机器苍蝇能够自由稳定地飞行，罗伯特伍德在它身上安装了感应器、控制器和电源。在其体内，神经冲动从内部反馈到传感器，期间无需中枢神经系统处理就可以直接调节飞行肌。这样，通过一些姿态传感器就能够指明飞行方向，然后直接操纵电机。

为了增加飞行时间，他们还必须为机器苍蝇增加电池的能量密度，或者开发自给能量技术。比如在它背上安装一个太阳能电池板，或者将其翅膀的振动能量转换成电流。

科学界认为，机器苍蝇提供了一条研究昆虫飞行力学的新途径。在未来，如果电源等问题能够得到进一步解决，将有可能广泛应用于军事监听、环境监测和农业生产等领域。

拓展阅读

美国桑德斯公司研制的“微星”系列固定翼微型飞行器，翼展为15.2厘米，飞行时间为15分钟。在2000年，桑德斯公司又研制了采用长寿命电池、具有更好成像系统和机动性的“微星”。