自主飞机面临巨大挑战

目前我们所处的是令航空航天界激动的时代，许多技术在其能力、经济适用性、安全性和投资回报方面都有望产生代际跳跃式发展。自主无人飞机系统不同于有人遥控的无人机系统，是真正的自动系统，是无人机的一个发展方向，对于军用航空和商业航空都将是一个改变游戏规则的发展方向。下面将重点介绍为军用和商业自主飞机提供转折点的目前正在发展的技术范畴，涉及具有认知能力的自主系统，也就是人们所期待具有判断能力并且最终具有飞行员伦理观的机器人系统。自主飞机虽然并不像初听起来那么神秘，但是其实现必须克服巨大的挑战。自主飞机的潜能也只有在这些挑战得到克服之后才能够完全发挥。

包括美国在内，很多国家的公司都在开发无人驾驶汽车。公众一般认为，这并不是一个很难的问题，依靠GPS、合适的传感器和控制律，无人自主汽车应该就能正常行驶，避免与前方车辆碰撞。听起来简单，但如果一个小孩突然跑到汽车前方，而此时汽车高速行驶无法停止，那么汽车控制系统就必须迅速决定如何转向以避开小孩。如果汽车转向右边就有撞上人行道和行人的危险，而转向左边就有可能与其他车辆相撞。此时的汽车控制系统就必须像老练的驾驶员那样，能够瞬间排列危险的顺序，评估各种选择可能产生的损害，进而采取相应行动。为了理解上的方便，我们通常简化人的思维决策过程，通常只在技术和人脑之间进行认真的比较，人类尚未对人脑的复杂性有全面的了解，但人脑的工作机制无疑令人赞叹。无论你如何思考这个问题，自主汽车对人的反应和行动都必须像人类司机那样。更理想的情况是，自主汽车能像人那样判断和决策，但却能够避免人类在判断上可能会出现的问题，使行动更为精确，而这远不是GPS接收机和一系列传感器所能解决的。

对于自主作战飞机来说，所面临的挑战比自主汽车更要严峻得多，未来自主飞机的认知系统最终必须比优秀的飞行员更具判断力和可靠性。与自主汽车所不同的是，自主作战飞机必须在三维空间、在数千米的高度、在非常高的飞行速度中、在各种复杂恶劣的气候条件下、在敌方环境和在敌友混杂的混乱环境中，向目标投送致命的打击武器。自主作战飞机还必须能够在数千千米之外作战，而且还要不留痕迹，实现隐身。

在2013年，美国海军的X-47B样机成功地实现了在航母上的起飞和降落，为了通过这些试验，X-47B必须在航母甲板上紧挨着其他飞机和舰上人员机动。在临近降落的时候，飞机必须平衡自身的三维运动和航母甲板在海上的颠簸。X-47B在2015年成功地进行了一次空中加油，平衡了包括X-47B本身、载人加油机和加油软管接口三者的运动。第三个运动物体的加入使得挑战的复杂程度产生了数量级的飞跃。控制它的认知系统必须考虑包括加油机上人员所面临的风险、气象条件、加油机的留空时间在内的各种处于变化中的因素，因此挑战是巨大的。

很多没有工程素养的人士都想当然地认为，技术的总会持续进步，将来的结果只是简单地建立在过去结果的基础之上。我们都清楚摩尔定律的内容—处理速度每18个月左右就会提高1倍，这也是许多人将技术进步视为理所当然的原因之一，同时也因此使得我们认为，只要我们愿意等待，技术终究会达到我们理想的目标，而此时基于计算的一切问题都会迎刃而解。

载人飞机近年来的发展似乎也支持了这种想法，1974年的首架F-16样机软件代码为13.5万行，2006年的首架F-35原型机则有700万行代码，而最新量产的F-35战机的软件规模达到了2400万行代码。30年前的B-2轰炸机能够在一次任务中打击8个独立的目标，而目前则能够打击80个。但是，这些都是载人机，大部分的认知需求都是由训练有素的飞行员提供的。要是没有飞行员的话，处理速度就不能胜任了，那些时刻变化的判断也就要靠软件算法提供。

软件算法在概念上非常简单，就是使计算机根据设计的一套规则来解决具体问题。但是，如今的算法需要学习过程并将学到的东西用于解决各种意想不到的问题。实际的操作环境从来就是随机的，因此算法必须处理现实世界的可变性、不可预见性和固有的随机性。自主系统目前的许多进步都不是硬件能力的线性增长，我们当前所深入的计算机科学世界正在呈现能力的非线性加速。已经取得的巨大进步使得X-47B飞机能够不依赖人类飞行员即可展开行动。X-47B甚至可以多次精确可靠地在飞行甲板的相同位置精准着舰，以至于海军要求在控制算法中加入随机性算法，使得X-47B的着舰位置能够更为分散，使甲板的某些位置不至于过度磨损。

自主飞机自然还需要取得巨大进步，X-47B今后的挑战将是证明它能够在即使遭遇干扰和GPS失效的情况下依然能够完成任务，需要证明它能够在充斥着友军和敌方部队的混乱环境中，战胜敌人的反制措施和网络攻击。下一步的挑战将是相当高的障碍，需要处理各种挫折和无法预料的问题。

长久以来，国防工业将各种能力转化给了商业世界，催生了整个行业的扩张和创新，为人类带来了惊人的利益，GPS、计算机网络、卫星和通信技术都是如此。自主飞机的完全实现也同样会给商业航空带来巨大的利益，包括安全性、能力、运作成本和效率。

创新必须加以管理，在目前财力有限的情况下，研究开发工作更加需要小心管理和培育。在创新、技术和人类智力资本的时代，最为重要的选择就是支持和推进研发和创新。对于技术行业的从业者来说，最大的利好就是涉身于复杂技术系统的设计和改进，使之最终成为人们不可或缺之物。自主无人飞机系统就是此类系统之一，最终不会局限于军用，而会变得越来越可靠，越来越强，越来越通用，也越来越经济适用。自主无人飞机的价值和潜力正在不断地得到验证，不久之后定会安全地整合到我们的安全体系和经济体系之中。（李洪兴）

美国陆军开发机器蟑螂

据美国defense one网站2016年2月8日报道，在美国陆军研究实验室的微小自主系统和技术（MAST）计划的资助下，伯克利的研究人员开发了一款名为带关节机构的可伸缩机器人（CRAM）—机器蟑螂。

蟑螂是一种令人厌恶的昆虫，站起来有12.5毫米高，但是在寻找隐藏处的时候可以迅速挤进只有3毫米的缝隙中，且其形态变化并不减慢其逃跑速度。美国研究人员开发的机器蟑螂比蟑螂大不少，有手掌般大小，但是也具有与蟑螂同样的形状变化特点。据其开发者在《美国国家科学院院刊》上发表的文章说，CRAM也可以和动物蟑螂一样，通过将身体高度压缩54%，由75毫米变成35毫米，在垂直高度受限的空间行进。同时，这也得益于它具有摩擦力小的壳体。CRAM可以不依靠外部的动力和控制，完全自主地在有限的空间内爬行。包括电子系统和电池在内，其总重量只有46克。

CRAM并非美国军方开发的第一款机器昆虫和半机器昆虫。此前，美国国防高级研究计划局（DARPA）出资开发了一款机器苍蝇，重量只有60毫克，站立高度为3厘米，不过其实际控制仍然是一个问题。美国军方也出资开展了多项机器昆虫计划，将微型计算机装到昆虫身上，创造了半机器半昆虫的怪物。还有一些研究人员创造了通过直接刺激神经和肌肉来控制甲虫的系统。

机器蟑螂可以用于灾难救助，让它携带信息资料收集设备，进入倒塌的建筑物废墟中搜寻幸存者，但其并非仅仅用于紧急救助，其主要目的是开发自主机器人来为部队在狭小的空间收集情报和态势感知信息。有报道称，参与计划的研究人员正在开展使用机器蟑螂进行侦察方面的工作。（李洪兴）