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会集群的不只飞鸟与鱼,还可能是无人机

|· 本文来自“我是科学家”·|

你是否曾经为天空中大规模的欧椋鸟群所构成的巨大图案感到震惊过?你是否会被鱼群环绕成巨大的球体以抵抗鲨鱼的侵袭而伤感过?你又是否幻想过,当某天铺天盖地而来的不是鸟群,却是带有精准目标识别与定位系统的无人机群时,你该作何反应?北京大学水下机器人设计与集群控制博士,北京科技大学无人机集群控制讲师贾永楠为我们带来《科研小世界,人生大梦想——从生物集群行为到无人机集群》。

大家好,我是贾永楠,是一名普通的科研工作者。我平时最大的爱好,就是在自己科研的小世界里面不断地探寻。但我很喜欢把我的科研的成果和生活联系起来,因为万事万物其实充满着千丝万缕的联系。从一个小小的科研领域出发,也许就会串联起许多看似毫无关联的故事。我想带着大家一起,从一个科研工作者的角度看一看集群的世界,以及它所带给我们的一些惊喜。

无人机在如今社会里,应该是比较普遍的了;大家应该或多或少地听过、看过或者使用过无人机。那么我们先开一个脑洞:一架、十架或者一百架无人机,你能想到最酷的使用方法是什么?

就我自己而言,我认为最酷的无人机使用方式是集群。

无人机的应用,在军事上也许会有无限的可能性。如果我们能够释放出成千上万架无人机,它们就能够穿透敌人的重重炮火、层层防御,抵达最终的目标实施打击或者是侦查任务。而且,无人机的成本非常低,它的载荷也只是一点点的炸药,所以即便被敌方捕获,也不必担心泄密——从前我们研制的一些高大上的设备(比如军用的设备和导弹),一旦被击落就有可能技术泄密。

再举一个生活化的例子。2017-2018跨年的时候,布达佩斯上演了一场非常美妙的烟火秀。大概30架无人机,携带彩色的灯光和烟火升空,先摆成2017的字眼,然后燃放烟花、变换队形,再呈现出2018的字眼,代表着从2017过渡到2018。我相信很多观众可能都看过无人机带来的灯光秀,它通常一般就是摆出一些漂亮的字眼,再进行一些简单的变换;但是无人机携带烟火去空中释放,也是一个非常美妙的场景。

无人机也可以演奏一些比较简单的音乐会:有的弹奏电子琴,有的敲击打击乐器,还有的拨动琴弦。

通过前面的例子,可以发现:一个功能简单的机器人,通过大量组合就可能完成非常复杂的任务,成本还相对比较低——就是我们常说的“集体力量大”。

无人机去集体完成任务,个体之间需要进行信息的交互,也就是要组成信息的网络。同时,只需要携带一些具有简单目标识别和定位功能的载荷,它们就可以完成很多复杂的任务。执行军事任务,就携带炸药;展示灯光秀,就携带彩灯;上演烟火秀,就携带烟火;演奏音乐会,就携带必要按键。

大家可能注意到了,前面说的无人机集群的表演,都是用四旋翼无人机去实现的,目前这种技术也是相对比较成熟的。但是四旋翼无人机它有一个非常大的问题——它也有噪声,而且是无可避免的。那么,假设有一天无人机可以实现静音飞行,是不是就可以做更多的事情呢?

如何让无人机可以实现静音飞行呢?灵感可能来自于哪里?夏天蚊子靠近人的时候,是不是感觉不到它的存在?

实际上,很多时候我们研究的灵感都源自大自然。比如欧椋鸟,它们在进食之后要回归巢穴,而中间有一段很长的距离,如果单独返回就很容易被捕食者侵害。所以,它们就会成群结队、集体回家。这时候,就会在空中呈现出一个美轮美奂的景象:上百万只欧椋鸟自由地流动,呈现出各种各样的场景。有时候像沙画,有时候像一只鸟,变幻莫测。

再看一下沙丁鱼群,它们通过带动相近的沙丁鱼逃开,最终鲨鱼就吃不到任何食物,这也是它们能够在自然界中得以生存下来的一种方式。

我们刚才看了两个例子,知道了自然界中的群居动物在迁徙捕食或者躲避敌害的时候,常常会呈现集体行为。那背后的机理到底是什么呢?

我们可以一起来做一个小实验。请大家都举起右手,然后前后随意摆动——看上去乱七八糟的。但是如果尽量和周围人保持一致,最终所有人就会以一致的频率,甚至一样的幅度前后摆动。

实际上,这就简单地解释了为什么鸟群和鱼群可以保持一致的行为。这个力,我们在物理上称为“粘滞力”,也是动物界中集群行为的一个最基本的机理。

我们刚刚也看到了,沙丁鱼群会形成高速旋转的球体,这又是怎样实现的?

左边这幅图是蚂蚁,它们发现食物的时候会把食物团团围住,并且高速地旋转起来。这就说明目标源对它们的行为是有影响的,我们把这个力定义为“吸引力”。目标源集中在场地中间,对每一个蚂蚁都会有一个指向中心的吸引力,就导致它们围绕目标高速旋转起来了。

我们现在知道了自然界的集群现象,也分析了背后可能的机理,接下来该怎么做?

作为一个科研工作者,首先想到的就是建模与仿真,因为这是验证结论是否正确的一个非常直接而又简单的方法。

我们把每个个体假想成质点,然后把假想的控制策略加进去,就可以复现出动物的集群行为,以此来检验策略到底是对还是错。

比如,在一个正方形的产场地内,分布着若干个小个体。施加粘滞力和吸引力后,会发现它们能够像欧椋鸟一样自由地在游动,并且保持一致的方向,彼此间还不会发生碰撞,就验证了集群的策略是正确的。

那么,把机器人本身的模型加进去,要怎么做呢?就是说,能不能让它们保持集群的行为,同时按照我们指定的轨迹走?

初始的时候,在长方形的区域里随机分布着几条红色的鱼,后来引入一条黄色的鱼作为领导者。我们给领导者规定轨迹,然后让其它红色的鱼跟随它的行为。最终我们发现,所有的红鱼都会汇集到黄鱼的周围,并且保持一个密集、紧致的队形一起运动下去。

应用这个原理,烟火秀可以呈现出特殊的字眼或图案。其实很简单:固定好队形后,让每架无人机记住和邻居之间的固定距离,通过调整距离,最终就能形成所期望的队形。

还可以实现舞者和无人机共舞。无人机在天上飞,我们可能很难控制它的轨迹;但如果给地面上的舞者手上加一个信号器——就像黄鱼一样,无人机就会跟随信号器运动,向左或向右旋转。

老子的《道德经》里曾提到:“一生二,二生三,三生万物。”实际上就是告诉我们,万事万物都是从简单到复杂,从个体到群体,从单体的智能到群体的智能,大家都是这样慢慢繁衍下来的。

每个人生而平等,都是独特的个体,但会慢慢变得不同——这取决于很多的因素,比如遗传,比如后天环境的历练。

刚刚的仿真,我们是把每个个体都假想成一个粒子,每个粒子都是一样的——一样的能力,一样的运动学规律,最后形成一种集群的行为。那么,个体差异对集群行为有着怎样的影响?考虑个体差异的集群行为到底是什么样呢?

以蜜蜂为例,按照进化论的思想,假设最早的时候只有那么几只蜜蜂,但是随着时间的推移,它们之间就会选出一只比较厉害的成为蜂王。但是,蜂王能领导的蜜蜂数量是有限的,所以当更多的个体来临的时候,它们就另起炉灶形成了另外的团队。如此层层繁衍,最终就形成了层级化的结构。

实际上,这种分层结构在人类社会也普遍存在。比如学校里面,有校长、院长、班长;军队里面,有军长、师长、团长。

那么,集群行为里,到底是平等主义好,还是层级主义好呢?

这个问题可以通过仿真来验证。实际上,鸟也好,鱼也好,它们的运动都不是直直地往前走,总是有一些扰动。所以我们就加入了一些扰动。然后我们就会发现,层级化的结构好像一直比较稳定,而平等的结构慢慢地就分散掉了,从一个整体变成了若干的小团队。

其实说了这么多,我想跟大家分享的其实是一件很简单事。我眼中的科学实际上并不复杂,它就在你我的身边:问题呢源于生活,解决思路也源于生活,源于自然界。我们做那么多科研,研究了那么多科技,最终的目标还是服务于生活,增加我们的幸福感。

作为一名科研工作者,生命不息,科研就不止,这是我自己的承诺。如今,战争已经是没有硝烟的战争了,不会为了争夺地盘或者资源去打仗,更多的是对科技、人才和知识的争夺。有志于报国的青年人士,必将实现我们伟大的中国梦。

我的分享就是这些,谢谢大家。

演讲嘉宾贾永楠:《科研小世界,人生大梦想——从生物集群行为到无人机集群》

The End

发布于2019-07-28, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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