細說未來科研流行新工具：科學無人機

　　“暴風雨”無人機——翼展3.2米，巡航速度75節——被設計用來在風暴中飛行。然而今年3月，在針對一個新項目的測試中，它卻被安排在蔚藍平靜的天空中飛行。在地面，美國科羅拉多大學博爾德分校(UC Boulder)博士生Maciej Stachura正在敲擊一臺平板電腦，為的是在手控起飛后，向飛機自帶的電腦傳輸控制命令。而系統工程師James Mack始終把雙手放在控制器旁，以防隨時可能出現的問題;另一名博士生Neeti Wagle則在仔細凝望天空，確保“暴風雨”不會和任何東西發生碰撞。

　　“暴風雨”此次的任務是找到發送模擬呼救信號的一個燈塔。“暴風雨”在空中盤旋，它的汽油發動機發出的特殊噪聲讓人想到這類飛機的俗名：雄蜂。科學界更常用的叫法是：無人駕駛飛行器(UAV)。

　　飛行時間已持續了約40分鐘，UC Boulder的團隊仔細觀察著空中的狀況，聽著周圍的聲音，注視著“暴風雨”在晴朗的天空里變成了一個遙遠的小點。然而，Stachura的話語中卻流露出一絲不安：“‘暴風雨’目前的飛行狀況并不好。此時此刻，它應該離我們越來越近才對。”最終，“暴風雨”轉向，調頭朝著目標方向飛行。 Stachura明顯松了一口氣：“這才是正確的路徑。”

　　在科學界，無人機的使用也經歷了類似曲折的歷程。上世紀70年代，美國宇航局(NASA)首次嘗試在高空研究中使用定制無人機，但隨后無人機的使用陷入低潮。原因在于，配備一流傳感器的無人機造價極其昂貴，令研究者望而卻步，但便宜的裝置卻無法提供太多的價值。

　　所幸，在過去10年中，價格的降低和技術的進步——從機載導航使用全球定位系統(GPS)到自動駕駛儀的小型化——使得很多科學團體愿意使用無人機進行實驗。

　　目前，無人機提供了一個收集數據的有效方式，尤其在極地研究、火山研究和野生生物學等領域取得了重要進展。具有多年研究無人機經驗的佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校的生態學家Adam Watts說：“無人機研制將會成為一項不可或缺的革命性技術——它們正在朝這個方向進發。”

　　但是，技術和法律上的障礙阻擋了無人機更廣泛的應用。研究人員正試圖提高無人機的自主性、操縱靈敏性和持久性。不過美國法律嚴格限制使用無人機的場合和方式。如果規定可以放寬——已經有了這樣的跡象，將有更多數量的這類“會飛的科學機器人”在天空中大放異彩。

　　價格與續航成短板

　　近年來，隨著一些國家的軍方使用無人機追剿敵人，它已經引起了越來越多的關注，但同時也有一定數量的無人機被用于科學研究。NASA使用諾斯羅普·格魯曼公司的“全球鷹”開展颶風和氣候研究，它能飛至距地面約20公里的高空——遠高于商用飛機的飛行高度。NASA接收了美國空軍的這架無人機并可以免費使用，但是感興趣的科學家要想使用該無人機，必須支付2000萬美元的費用(且不包含傳感器)。

　　大多數研究人員不得不湊合使用更小更便宜的系統。幾千美元可以買到一架現成的無線電遙控的固定翼無人機，諸如“暴風雨”，而僅300美元就能買到旋翼直升機。裝上一些傳感器、一個自動駕駛儀和一臺預先裝入算法的便宜計算機，研究人員就擁有了一套無人機系統(UAS)。

　　除了設備上的差異，軍用和民用無人機研究項目已經緊密聯系在一起，且兩者之間能夠互相借鑒優勢。實際上，很多大學的無人機項目中有一部分是軍方資助的。

　　目前而言，大部分從事無人機研究的研究人員專注于技術的提高，旨在使設備更靈活、更自主以及更好地適應多無人機協同任務。自主飛行需要一系列算法，以破解來自傳感器的數據、決定飛行方向、控制飛行路線，以及對無人機攝像頭捕捉到的物體進行分類。

　　由于無人機主要使用燃氣發動機和電池，因此如何增加續航時間也是研究人員關注的一個問題。為了減輕重量和節省成本，研究人員常使用小型無人機，但由于燃料容量小，所以航行時間也短。

　　為了應對這一短板，一些小組努力研制更加小型化的電池，另外一些小組則嘗試讓無人機像鳥類和滑翔機那樣，利用上升氣流和風的特性飛得更遠。蘇黎世瑞士聯邦理工學院自主系統實驗負責人Roland Siegwart的小組正在研制無須著陸的太陽能飛機，他開玩笑說：“把它們當做低軌衛星好了。”但它們在實際收集數據的工作中比衛星更有效率，因為研究人員可以控制它們的飛行軌跡。Siegwart說：“通過它們，我們可以實時掌握叢林火災情況、監控偷砍森林行為，還能協助搜尋遭遇海難的旅客。”

　　監管嚴格

　　研究無人機的團隊不斷地通過網絡視頻來了解其他研究團隊的最新進展。最出名的“YouTube明星”當屬來自美國賓夕法尼亞大學的Vijay Kumar。他的團隊能利用改良的Vicon系統在室內控制四旋翼直升機，該系統是一種動作捕捉系統，被用于好萊塢大片拍攝以及視頻游戲制作中。

　　韓國科學技術高級研究院機器人中心主任Hyunchul Shim說：“規則已經被網絡改變了。”Siegwart也表示：“網絡的信息傳播速度更快，這對吸引學生參與進來很有幫助。”

　　新發明使無人機的效率更高、成本更低，而監管將成為橫在無人機進一步研究與普及過程中的一道坎。Siegwart說：“這仍然是一大問題。” 尤其是在美國，聯邦航空管理局(FAA)規定：在戶外作業的無人機必須獲得官方的許可方可飛行(對非商業用途的業余無人機愛好者的管理則相對寬松一些)。 UC Boulder無人機研究工程中心負責人Eric Frew抱怨道：“哪怕我們只是在校園操場上作業，哪怕只飛6英尺高，也必須獲得許可。這種規定完全就是一刀切。”

　　位于華盛頓的FAA 要求無人機運營者必須申請、獲得兩種許可證中的一種方可在戶外利用無人機作業進行科研。申請需要提交一大堆材料，據該機構溝通部門的反映：“這些信息被 FAA用來評估戶外作業是否會對其他飛機、人群以及地面財產構成威脅。”這意味著在城市和人口密集地區，無人機作業將不被允許。而且許可的飛行范圍只有 20平方英里(大約32平方公里)。

　　FAA還要求每次飛行必須由經過認證的飛行員執行。在3月的測試飛行中，Stachura把大部分的時間都用來適應通過電腦屏幕控制飛機的這種操控方式。FAA還要求每次飛行必須有觀察員在場，以便留心潛在的對撞;同時，還要求有專門人員在當地機場監控無線電信號。

　　用途廣泛

　　美國雅典城佐治亞大學無人機專家Eric Johnson研究了世界各國針對無人機的規定，他說：“在北約國家中，美國的無人機管制是最嚴的。”但是只要不發生事故，各國似乎能達成這樣的共識：有關無人機的法規將進一步放寬。去年通過的《FAA現代化與改革法案》，要求運輸部出臺計劃，在2015年前將民用無人機的使用整合到國家航空管理系統中。

　　Johnson說，與此相反的是，澳大利亞和加拿大允許大多數類型的無人機操作，也許是因為這兩個國家空域大，且官僚程度較弱。

　　大多數無人機研究主要集中于提高無人機本身，一些科學家已著手將設備投入使用。3月，NASA使用一架電動軍用無人機“龍眼”，采樣和拍攝哥斯達黎加Turrialba火山釋放的有害氣體羽狀物。

　　James Maslanik是UC Boulder研究遙感的專家，自2000年以來，他參與了一系列在極地地區使用無人機觀測海冰的研究。無人機能夠冒險進入對于載人飛機而言過于危險的區域。

　　生物學家也開始在他們的野外作業中使用無人機。在印度，動物保護組織WWF使用無人機追蹤犀牛偷獵者。