鳥類長期以來一直激勵(lì)著人們創(chuàng)造自己的飛行方式。我們知道，飛躍的長距離遷徙鳥類利用熱氣流將其留在空中，而不會(huì)耗費(fèi)拍打翅膀的能量?；铏C(jī)飛行員同樣使用熱量流和上升的空氣的其他區(qū)域，以便在空中停留更長時(shí)間。
然而，盡管我們已經(jīng)使用各種工具精通滑行，但是確切的機(jī)制仍不清楚。但是，來自加利福尼亞和意大利的一組研究人員已經(jīng)采取了一些有說服力的步驟，以使用人工智能(AI)回答這個(gè)問題。這可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的新發(fā)展，特別是對創(chuàng)建可以在空中長時(shí)間保持飛行的無人機(jī)產(chǎn)生特殊影響。
該研究的結(jié)果發(fā)表在《自然》上，目的是訓(xùn)練一個(gè)兩米長的翼展自動(dòng)滑翔機(jī)，就像真正的鳥類一樣，以熱能飛行?；铏C(jī)使用一種稱為機(jī)器學(xué)習(xí)的AI進(jìn)行了編程，使它能夠弄清楚如何利用氣流在空中停留更長時(shí)間。
機(jī)器學(xué)習(xí)是對計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程以執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的另一種方法。您無需向計(jì)算機(jī)(在這種情況下為自動(dòng)滑翔機(jī))提供一組指令來告訴計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行操作，而是告訴計(jì)算機(jī)在執(zhí)行正確的操作時(shí)希望如何響應(yīng)并給予獎(jiǎng)勵(lì)。
隨著時(shí)間的流逝，它會(huì)學(xué)到什么東西會(huì)得到回報(bào)，并且傾向于做這些行為。這種技術(shù)可以使Google的AlphaGo等計(jì)算機(jī)程序?qū)W會(huì)玩棋盤游戲Go，然后擊敗專業(yè)玩家，這是傳統(tǒng)編程技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的壯舉。
這種類型的機(jī)器學(xué)習(xí)稱為強(qiáng)化學(xué)習(xí)，它依賴于向計(jì)算機(jī)饋送的大量輸入數(shù)據(jù)，以便計(jì)算機(jī)了解哪些操作將為其提供獎(jiǎng)勵(lì)。對于為自動(dòng)滑翔機(jī)進(jìn)行編程的研究人員，輸入數(shù)據(jù)由能夠讀取向上(垂直)風(fēng)強(qiáng)度變化的專用儀器組成。這些儀器能夠確定沿滑翔機(jī)長度(縱向)以及從一個(gè)機(jī)翼尖端到另一個(gè)機(jī)翼尖端(橫向)的這些變化。傳感器每秒可以進(jìn)行十次這些測量。
然后使用該數(shù)據(jù)對滑翔機(jī)的傾斜角度進(jìn)行飛行調(diào)整。機(jī)翼高度平衡的飛機(jī)傾斜角為零，將以直線飛行。傾斜機(jī)翼并增加傾斜角度會(huì)使飛機(jī)轉(zhuǎn)彎。在研究中，如果沿其飛行路徑的向上風(fēng)速的變化增加，則滑翔機(jī)將得到獎(jiǎng)勵(lì)。換句話說，如果滑翔機(jī)飛入上升氣流。
上升氣流是增加滑翔機(jī)可以在空中停留的時(shí)間的關(guān)鍵。與動(dòng)力飛機(jī)不同，無法找到任何上升氣流的滑翔機(jī)將逐漸落向地面。滑翔機(jī)是下降還是上升直接取決于周圍有多少空氣向上運(yùn)動(dòng)。在上升氣流中，垂直空氣流動(dòng)的增加足以阻止滑翔機(jī)掉落;如果垂直風(fēng)足夠大，則允許其爬升。
在多次飛行過程中(總共飛行約16個(gè)小時(shí))，研究滑翔機(jī)通過訓(xùn)練自己以某種輸入(傾斜角，縱向和橫向改變垂直風(fēng)速)的組合來決定自己要學(xué)習(xí)什么，從而學(xué)會(huì)了飛行。接下來應(yīng)該改變傾斜角度。結(jié)果是，在所有飛行結(jié)束時(shí)，飛機(jī)已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何飛入上升氣流，從而使其在空中停留的時(shí)間更長。
作為獎(jiǎng)勵(lì)，研究人員使用了一個(gè)數(shù)值模型來顯示這種方法將使更大的滑翔機(jī)受益更大，因?yàn)樗鼈兏L的翼展將提供對從一個(gè)翼尖到另一個(gè)翼尖的向上風(fēng)速變化的更準(zhǔn)確測量。
使飛機(jī)更智能
結(jié)果提出了一個(gè)問題，即我們可以看到哪些可能發(fā)生的未來自動(dòng)滑翔機(jī)滑行以及它們將用于什么用途。麻省理工學(xué)院的工程師最近從波浪信天翁的空氣動(dòng)力學(xué)中汲取了靈感，設(shè)計(jì)出了自主滑翔機(jī)。
空中客車公司已經(jīng)開發(fā)出一種太陽能滑翔機(jī)，該滑翔機(jī)可以在空中保持很長一段時(shí)間，以替代監(jiān)視或通信衛(wèi)星，例如可以將互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)廣播到地面上的偏遠(yuǎn)地區(qū)。據(jù)報(bào)道，微軟正在使用最先進(jìn)的人工智能導(dǎo)航系統(tǒng)在自動(dòng)駕駛飛機(jī)上工作。
但是也許這項(xiàng)研究中開發(fā)的技術(shù)有一天可能會(huì)導(dǎo)致新一代常規(guī)飛機(jī)的“智能”導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。這些可以使用在數(shù)千個(gè)小時(shí)的飛行時(shí)間內(nèi)收集的數(shù)據(jù)來決定最有效的出行方式。這將依賴于精確的傳感器和進(jìn)一步的發(fā)展，這將使飛機(jī)能夠識(shí)別并從一個(gè)熱上升氣流跳到另一個(gè)熱上升氣流。目前，該方法僅允許在單個(gè)熱源內(nèi)滑動(dòng)。
研究人員開發(fā)的方法和編程技術(shù)無疑將使我們更接近自動(dòng)駕駛飛行器的目標(biāo)，因?yàn)轱w行時(shí)間為數(shù)天，數(shù)周或數(shù)月才能執(zhí)行這些任務(wù)。但是增強(qiáng)學(xué)習(xí)的使用再次顯示了這些算法在適應(yīng)各種復(fù)雜任務(wù)(從控制滑翔機(jī)到在Go上擊敗人類)中的靈活性。