仿蛾無人機采用自然反饋系統實現懸停與追光，無需人工智能

這款無人機的極值搜索反饋系統使其能在空中保持穩定，這解釋了昆蟲如何憑借微小大腦完成精確機動動作。

辛辛那提大學的研究人員開發出一款撲翼無人機，能夠像飛蛾撲火般定位移動光源并環繞其懸停。該項目由該校工程與應用科學學院助理教授薩默赫·艾薩主導，有望為小型高效無人機的隱蔽偵察應用開辟道路。

艾薩及其航空航天工程專業的學生指出，關鍵在于模仿昆蟲飛行。"我們的研究動機在于尺寸優化。這是更理想的設計方案，這類微型機器人必須像飛蛾一樣飛行。"艾薩解釋道。

飛蛾等懸停昆蟲能在空中保持位置甚至倒飛。它們能憑借本能精準適應風力變化與障礙物。

艾薩團隊的無人機具備相同能力，可通過持續微調保持與光源的距離和方位，即使光源移動時也是如此。

艾薩領導的建模、動力學與控制實驗室專注于動物仿生工程。在早期研究中，該團隊曾研發能像信天翁那樣利用動態翱翔技術實現長距離高效飛行的無人機。

新型仿蛾無人機從昆蟲的敏捷懸停中獲取靈感，艾薩與博士生艾哈邁德·埃爾戈哈里運用名為"極值搜索反饋"的數學框架對此進行闡釋。他們在研究中提出，懸停昆蟲使用的正是類似的自然反饋系統。

論文第一作者埃爾戈哈里表示："我們的仿真表明，極值搜索控制能自然復現昆蟲的穩定懸停行為，無需人工智能或復雜模型。"他補充說明，該系統依托"一種簡單的無模型實時反饋原理"，這可能解釋小型生物如何憑借有限腦力實現靈活飛行。

無需人工智能的實時控制

與傳統依賴GPS或人工智能的無人機不同，這款撲翼無人機通過持續監測自身性能實現實時飛行調整。系統通過連續反饋優化目標（本例中為光源）。每片翅膀獨立撲動以控制滾轉、俯仰和偏航。在肉眼觀察中，高速振翅如同蜂鳥翅膀般化作虛影。

無人機的反饋回路使其實現穩定懸停，甚至能復現飛蛾、熊蜂、蜻蜓、食蚜蠅、大蚊和蜂鳥特有的細微擺動姿態。

埃爾戈哈里與研究生羅漢·帕利尼庫馬爾在艾薩的飛行實驗室（配備防護網確保人機安全）演示了無人機性能。這款由金屬絲和織物制成的四翼無人機，可借助極值搜索系統起飛并鎖定位置。埃爾戈哈里指出，手動控制的難度更高且穩定性更差。

飛行中的輕微晃動并非缺陷，而是控制過程的必要組成。這些微小振蕩幫助無人機評估性能并進行穩定性與方向的微調。

自然工程師的啟示

蜂鳥鷹蛾等懸停昆蟲以"8字形"軌跡擺動翅膀，在雙向撲動中產生升力。它們柔韌的翅膀每次拍打都會形變，從而獲得卓越的操控性與敏捷度 —— 這正是辛辛那提大學工程師融入機器人設計的核心原理。

艾薩認為其意義超越無人機領域。"這可能改變生物物理學的諸多認知，"他強調，"如果飛蛾等懸停昆蟲確實使用與我們等效的極值搜索反饋，這種機制很可能也進化存在于其他生物中。"

通過研究自然界最小飛行家，辛辛那提大學的科研人員正在揭示如何化繁為簡實現精準穩定飛行，這些發現或將重塑無人機技術乃至人類對飛行本質的認知。

該項研究成果已發表于《物理評論E》。

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！