自从昆虫学诞生以来（或多或少），科学家们一直在思考“雄心壮志”中提出的问题，这是吉米·范·休森和萨米·卡恩为 1959 年电影《骗局》创作的一首歌曲，由弗兰克·辛纳屈主演：究竟是什么让那只小蚂蚁认为它能移动那棵橡胶树？
斯蒂芬·普拉特是亚利桑那州立大学生命科学学院的副教授，他和任何人都一样了解答案。他运营着 普拉特实验室，研究人员在那里研究昆虫社会如何获取食物、筑巢以及如何相处。他表示，非常简短的答案是，蚂蚁使用集体、分散的智能来执行复杂的任务。这也有助于它们缺乏自保的本能，并且只专注于推进群体任务的行动。
这些特征引起了机器人工程师的兴趣，例如宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系的教授维杰·库马尔。他和他的 GRASP（通用机器人、自动化、传感和感知）实验室的研究人员正在开发“蜂群”式无人飞行器，以协同工作。这些设备每秒进行数百次测量，计算它们彼此之间的位置，为特定任务协同工作，并且同样重要的是，尽管它们快速移动并以紧密的队形飞行，但仍能避免相互碰撞。库马尔和他的同事们正在利用普拉特实验室的情报，特别是关于蚂蚁如何在没有任何中央指挥官的情况下进行沟通和合作的信息，使蜂群式无人飞行器更加自主。
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毫不奇怪，军事工业联合体、矿业公司、农业和各种其他行业都迫不及待地想要部署无人机群用于各种应用——但一些自然资源保护主义者和科学家也是如此，他们看到了无人机群在测绘、监测和感知自然环境方面的效用。
英国利物浦约翰摩尔斯大学的灵长类动物生物学教授、保护无人机的联合创始人塞尔日·维奇表示，无人机使他的研究效率显着提高。他追踪和监测猩猩，这是一个耗时费力的过程，需要徒步穿越苏门答腊雨林来寻找和研究巢穴。然而，借助安装在无人机上的摄像头，他一天内可以监测的土地面积比步行多几个数量级。
但是，无人机群可以做的不仅仅是增加科学家可以监测的土地面积。它们还可以提供进入困难地点或情况的能力。“如果你想监测大面积区域的非法活动，例如偷猎野生动物或伐木，你必须不断地监视它，”维奇说。单架无人机最多只有一两个小时的电池续航时间。但是无人机群可以克服这个限制。当任何单架无人机的电池耗尽时（它们的耗尽速度会因携带的传感器或记录时间的长短而异），它可以自动返回基地营地，而 另一架无人飞行器会取代它。此外，一架无人机可能携带摄像头和 GPS 接收器，而其他无人机可能携带用于 CO2、甲烷、光、温度或湿度的传感器。“我认为这有巨大的潜力，”维奇说。
然而，关键词是“可能”。尽管这段极其 高科技的雷克萨斯商业广告 可能会让您相信，但蜂群式无人机尚未准备好“开出停车场”，可以这么说。除了世界各国各种不断演变的法规限制了无人飞行器的使用地点和方式之外，蜂群式无人飞行器机队目前主要在学术实验室内部运行，而不是在科学家进行环境研究的许多偏远角落。这是因为它们价格昂贵且复杂：您无法使用从 iTunes 下载的智能手机应用程序来协调蜂群式飞行迷你机器人的机队。然而，尚未实现。此外，在实验室内部实现的超精确运动无法在室外复制。那是因为在实验室中，运动捕捉摄像头用于对空间和时间运动进行极大的控制，而在室外使用 GPS 信号来绘制无人飞行器地图则比较粗糙。但在未来几年，所有这些障碍——法规、成本、可访问性——都将消除。
无人机本身就是工程奇迹，但无人机群真正提高了操作它们所需的各种网络协议和处理能力的门槛。工程师们正在研究昆虫行为，以此作为如何编程无人飞行器以完成快速、复杂、自主功能的灵感，这并不奇怪。但不要称之为仿生学，库马尔说。
“当莱特兄弟第一次尝试制造飞机时，他们使用了拍打翅膀，但这行不通，”他说。“所以他们制造了受自然启发但没有模仿自然的机翼。”
库马尔也以同样的方式，正在研究例如一只蚂蚁如何招募其他蚂蚁来帮助它建立新的蚁群，因为这可以帮助他开发算法来编程无人飞行器，以招募其他无人飞行器来协助它完成给定的任务。或者他可能会研究蚂蚁如何协同工作来移动一块食物，以此作为编程无人飞行器来抬起原木并拍摄它们在下面发现的任何东西的灵感。
“一些蚂蚁物种非常擅长集体运输，”普拉特说。“它们招募人员来选择合适大小的蚂蚁团队。它们沿着崎岖的地形移动物体。因此，对于作为生物学家的我和作为工程师的维杰来说，问题是：每只蚂蚁都在遵循什么规则？”
为了回答这个问题，普拉特和维杰正在合作进行实验。在一个实验中，他们将一个嵌入压力传感器的小物体，上面覆盖着无花果酱，放在物种为 Aphaenogaster cockerelli 的觅食蚂蚁面前。然后，他们记录每只蚂蚁施加的推力和拉力。“我观察物体的形状，然后，通过观察它，我可以确定哪些蚂蚁在拉，哪些蚂蚁在推，”库马尔说，“并梳理出它们扮演的角色。”
他们了解到，蚂蚁基本上是通过反复试验来弄清楚谁应该推，谁应该拉。“想象一下，你和我正在抬着一张桌子穿过房间，而你被蒙上了眼睛，”库马尔解释说。“我们怎么知道谁需要用力？如果你观察蚂蚁施加的力，随着时间的推移，抵消另一只蚂蚁的力会被最小化。它们学会了——有意识或无意识地——随着时间的推移改进平衡策略。”
到目前为止，库马尔已经能够将这种学习策略转化为如何编程陆地机器人，使其相互协作以实现共同目标。最终，他希望对空中机器人也这样做。
当然，机器人工程师还需要提高昆虫般无人机的飞行技能。为此，加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学副教授米歇尔·马哈比兹正在研究甲虫的飞行。他通过给甲虫配备微型“背包”将甲虫变成小型的电子生物，背包中包含微控制器、电池和无线电装置，微小的导线插入甲虫的大脑和用于飞行的动力肌肉中。这种装置使马哈比兹能够通过刺激某些肌肉并研究其反应来尝试偏向甲虫的飞行。
“如果不让昆虫飞行，就很难推断出昆虫在飞行中做什么，”马哈比兹解释说。“过去人们研究过较大的动物，或者他们将昆虫轻轻地系在系绳上[以收集数据]，但它们并没有真正自由飞行，这最终掩盖了[某些功能]。”
当工程师们深入昆虫世界以制造更好的机器人时，维奇正在等待着有一天他能够像现在为他那简陋的组织获得单架无人机一样获得蜂群式无人飞行器：通过使用现成的零件自己组装它们。
库马尔表示，那一天会比预期更快到来。首先，从数据存储到传感器的所有事物的“性价比”都在迅速下降，这意味着迭代和创新的障碍也在减少。“我实验室的学生可以在两小时内设计和制造出一架飞行机器人，”他自豪地说。此外，协调无人飞行器群所需的通信协议——例如网状网络，它允许设备彼此直接发送和接收消息，而不是通过主控制器——正在迅速变得更加强大。
“在偏远地区构建定制机器人的能力……实现这一目标的机会每天都在增加，”库马尔说，他补充说，他看到了使用无人飞行器进行环境监测并最终通过科学而非政治影响政策制定的巨大潜力。“通常科学受到质疑是因为我们没有数据，”他说。在收集环境数据方面，“我认为空中机器人可以发挥巨大的作用。”
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