袁成 ¦ 「蜻蜓眼」受控生物無人機取得重要進展

2017年5月，美國前沿科技探索公司德雷珀實驗室（Draper Lab）公布了名為「蜻蜓眼」（DragonflEye）受控生物無人機的照片和飛行視頻。這種無人機為蜻蜓加裝包含微型導航、微型太陽能電池和光極（optrodes）等系統的電子背包，通過電子背包的控制，使蜻蜓按照人類的指令飛行。相比傳統微型無人機，這種半生物、半機械的受控蜻蜓無人機擁有與蜻蜓類似的飛行時間、機動和隱蔽性，在軍用和民用領域均擁有廣闊應用前景。

帶有電子背包的「蜻蜓眼」無人機在「枝端」停留（美國德雷珀實驗室公司圖片）

一、「蜻蜓眼」無人機的發展背景

「蜻蜓眼」是德雷珀實驗室牽頭，霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）參與研發的新概念無人機，以探索控制自然界生物活動的可行性。德雷珀實驗室成立於1932年，最初隸屬於麻省理工學院，主要開展航空導航技術研究，后成為獨立的非營利機構，使命是在國防、宇宙探索、醫療和能源等領域設計和研發創新性的技術解決方案，目前擁有員工1400多名，年度經費約5億美元，主要在6個技術領域開展研究：一是制導、導航和控制（GN&C）領域，為美軍核潛艇、彈道導彈等裝備提供導航系統；二是情報、監視與偵察（ISR）領域，曾研製出無人潛航器的ISR數據收集系統；三是自主系統領域，曾為美空軍研製自主空投系統；四是微系統領域，製造出世界上體積最小、能耗最低的晶元尺寸原子鐘；五是生物醫療領域，主要研究可穿戴或可植入醫療裝置、器官輔助裝置等設備，製造了世界上首個人工血管網路；六是新能源領域，打造可靠、高效的能量生成與消耗系統，推出了火力發電廠燃燒效率自主測量設備。HHMI則由前休斯飛機公司創始人霍華德·休斯組建，目前是全美最大的私人資助醫療研究機構，在神經科學方面頗有建樹。

「蜻蜓眼」無人機結合了生物和機械兩方面特徵，屬於多學科交叉研究領域。德雷珀實驗室在微系統、神經、導航和新能源等前沿領域經驗豐富，與HHMI在能量獲取和神經調製領域的優勢結合，為「蜻蜓眼」無人機的研製打下了堅實的基礎。

德雷珀公司帶有電子背包的「蜻蜓眼」無人機（美國德雷珀實驗室公司圖片）

「蜻蜓眼」無人機在軍用和民用領域均擁有發展空間。德雷珀實驗室受控生物無人機研發原本著眼於蜜蜂和農業生產領域，原因是近25年美國蜜蜂的蜂群密度縮減了一半，對農業生產帶來不利影響。為了使剩餘蜜蜂集中力量高效授粉，需要研發出「受控蜜蜂」，按照人類指令完成作業。另外，「受控蜜蜂」還可通過記錄蜜蜂的飛行，檢測出蜂群飛行模式、遷徙路徑和整體健康情況，找出蜂群數量減少的原因。但由於把蜜蜂和電子背包結合存在困難，德雷珀實驗室最終選擇蜻蜓開展技術驗證。

二、「蜻蜓眼」無人機的工作原理、主要特點和發展前景

1．工作原理

首先，霍華德·休斯醫學研究所把蜻蜓複眼中的感光基因植入神經索內相關神經元（控制飛行轉向，可稱之為「轉向神經元」）的基因序列中。這種轉基因神經元的細胞膜上有一種特殊蛋白質，使細胞膜經光照後會打開離子通道，改變細胞內部的電勢，產生電流刺激肌肉揮動翅膀。另外，德雷珀實驗室為蜻蜓研發了只有人類指甲大小的包含光極、信號處理、微型導航和太陽能電池等系統的電子背包，這是人類與蜻蜓間的信息中轉站。其中光極是一種比光纖更小的微型柔性光學結構，能夠以亞毫米級精度彎曲光束，嵌入蜻蜓體內后可精準定位轉基因神經元的位置，且不會損壞相鄰的神經元。信號處理系統接收人類指令，並控制光極的光學特性。導航系統可對蜻蜓進行精確定位，在飛出控制範圍後方便人員尋找。太陽能電池為電子背包供電，使蜻蜓不被傳統電池或電線拖累。蜻蜓飛行時，轉向指令由人工編碼發送給電子背包，然後轉換成光信號並通過刺激「轉向神經元」使蜻蜓產生轉向意念，從而控制蜻蜓飛向指定的方向。

2．主要特點

「蜻蜓眼」無人機主要有三個特點，一是保持了蜻蜓原生的高效飛行技能。「蜻蜓眼」從誘騙昆蟲或直接刺激肌肉來控制它們行動，升級到採用光極技術直接刺激蜻蜓神經系統進行控制。這意味著可以直接控制蜻蜓的動作指令端，從而保留了蜻蜓的原生飛行技能，具有高效飛行、懸停及高達9g的機動能力。二是通過捕食和光實現極強飛行耐久性。蜻蜓可通過捕食自行補充能量，而電子背包的能源可通過太陽能補充。故在蜻蜓存活期內的「蜻蜓眼」的動力全部來自自然，留空時間很長。三是蜻蜓在自然界的廣泛存在可保證良好的隱蔽性。蜻蜓共有5000多種，在全球分佈廣泛，另外其體型較小，故「蜻蜓眼」作戰過程中與大自然融為一體，隱蔽性很好。

3．發展前景

「蜻蜓眼」不但可用於在農業和生物領域，還可以發展成為一種特殊的空中ISR裝備。德雷珀實驗室生物醫學專家兼項目首席研究員惠勒認為，「蜻蜓眼」無人機代表了一類全新的微型飛行器，各種先進技術都能集成在昆蟲能夠負載的微型電子背包中，比其他任何機械無人機都更加微小、輕盈和隱蔽。

但是，目前「蜻蜓眼」離實用化還有距離，主要體現在3個方面：一是目前僅能控制飛行過程中的蜻蜓實現轉向，不能控制蜻蜓完成起飛、懸停和降落等複雜動作，即無法持續控制，導致偵察能力相對受限，未來需要完善控制。二是當前電子背包系統功能預計僅支持在視距範圍內控制「蜻蜓眼」，作用半徑較小，未來可能需在背包中集成微型攝像系統等，實現視距外操控。三是目前報道中並未說明是否通過人腦控制蜻蜓轉向，操作可能有延遲，未來可能需為士兵配裝腦機介面設備，用人類意念操縱控制其飛行，縮短控制流程，實現蜻蜓受控近零時間差。

德雷珀實驗室認為，「蜻蜓眼」用到了5種主要的能力：定位、導航和授時（PNT）；自主系統；微系統；生物醫療解決方案；材料工程與微裝配（美國德雷珀實驗室公司圖片）

三、幾點看法

1．受控生物技術是一項熱點前沿技術，正不斷取得突破

受過訓練的動物在戰爭中履行作戰任務貫穿古今，如古代曾使用信鴿傳遞軍情，現代美軍則訓練海豚來探測水雷。但是，受訓動物無法完全按人類指令行動，限制了其效能。隨著技術不斷進步，受控生物技術正成為發展熱點。美國加州大學伯克利分校在美軍資助下推出受控花甲蟲，通過在肌肉植入電極控制昆蟲行動；上海交通大學通過把翻譯出的人類腦電波信號發送到植入蟑螂腦部的微電極，成功控制了蟑螂的行動；韓國科學技術高級研究院利用烏龜逃生時的趨光性，通過人類意念控制光源移動，實現了對烏龜行動的控制。德雷珀公司「蜻蜓眼」無人機則利用體積更小的柔性光極控制生物的行動意念，代表了受控生物技術的最新發展方向。

2．受控昆蟲類無人機在軍民用領域均擁有廣闊應用空間

未來，如能解決高效持續控制、生物排異反應和社會倫理道德等問題，受控生物可能對戰爭形態產生變革性影響，昆蟲間諜、鳥類無人機、魚類潛航器等半機械半生物裝備將極大地提升作戰的突然性、隱蔽性、持續性，成為新質戰鬥力的重要來源。其中，受控昆蟲類無人機尤其適合特種作戰。目前，美軍特種作戰部隊依靠可由單兵完成發射和操控的攜帶型無人機實現隱蔽的空中偵察，但當前的攜帶型無人機存在性能瓶頸：一是電池容量有限並且飛行效率較低，續航時間一般只有幾十分鐘。二是與自然界的昆蟲相比，機動性能差，缺少時敏目標偵察和脫困能力。三是由於存在雜訊，且飛行特徵與自然界昆蟲不同，隱蔽性較差，易暴露。目前尚無任何傳統或仿生無人機能夠媲美昆蟲的飛行效率和機動性，且昆蟲還具備易被人類忽略和從自然環境中攝取能量提升飛行耐久性等優勢。因此，利用的生物自身優勢，「蜻蜓眼」這類受控昆蟲類無人機可成為未來空中態勢感知的新選擇，在未來特種作戰中發揮重要作用。

在民用領域，光極等神經學技術將有助於人類加深對大腦的理解，也加深對感知、行為和意識的認識，有助於對阿爾茨海默症（老年痴獃）、帕金森病、癲癇和創傷性腦損傷等重大疾病的診治，尋找出治療神經疾病的新療法。

免費訂閱！

如何加入學會

註冊學會會員：

個人會員：

（c2_china），回復「個人會員」獲取入會申請表，按要求填寫申請表即可，如有問題，可在公眾號內進行留言。通過學會審核後方可在線進行支付寶繳納會費。

單位會員：

（c2_china），回復「單位會員」獲取入會申請表，按要求填寫申請表即可，如有問題，可在公眾號內進行留言。通過學會審核後方可繳納會費。

學會近期活動

1.2017首屆全國兵棋推演大賽總決賽

2017年9月25日

長按下方學會二維碼，關注學會微信

感謝關注