鳥(niǎo)類(lèi)長(cháng)期以來(lái)一直激勵著(zhù)人們創(chuàng )造自己的飛行方式。我們知道，飛躍的長(cháng)距離遷徙鳥(niǎo)類(lèi)利用熱氣流將其留在空中，而不會(huì )耗費拍打翅膀的能量?；铏C飛行員同樣使用熱量流和上升的空氣的其他區域，以便在空中停留更長(cháng)時(shí)間。
然而，盡管我們已經(jīng)使用各種工具精通滑行，但是確切的機制仍不清楚。但是，來(lái)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(shuō)服力的步驟，以使用人工智能(AI)回答這個(gè)問(wèn)題。這可能會(huì )導致飛機導航系統的新發(fā)展，特別是對創(chuàng )建可以在空中長(cháng)時(shí)間保持飛行的無(wú)人機產(chǎn)生特殊影響。
該研究的結果發(fā)表在《自然》上，目的是訓練一個(gè)兩米長(cháng)的翼展自動(dòng)滑翔機，就像真正的鳥(niǎo)類(lèi)一樣，以熱能飛行?；铏C使用一種稱(chēng)為機器學(xué)習的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(cháng)時(shí)間。
機器學(xué)習是對計算機進(jìn)行編程以執行復雜任務(wù)的另一種方法。您無(wú)需向計算機(在這種情況下為自動(dòng)滑翔機)提供一組指令來(lái)告訴計算機如何執行操作，而是告訴計算機在執行正確的操作時(shí)希望如何響應并給予獎勵。
隨著(zhù)時(shí)間的流逝，它會(huì )學(xué)到什么東西會(huì )得到回報，并且傾向于做這些行為。這種技術(shù)可以使Google的AlphaGo等計算機程序學(xué)會(huì )玩棋盤(pán)游戲Go，然后擊敗專(zhuān)業(yè)玩家，這是傳統編程技術(shù)無(wú)法實(shí)現的壯舉。
這種類(lèi)型的機器學(xué)習稱(chēng)為強化學(xué)習，它依賴(lài)于向計算機饋送的大量輸入數據，以便計算機了解哪些操作將為其提供獎勵。對于為自動(dòng)滑翔機進(jìn)行編程的研究人員，輸入數據由能夠讀取向上(垂直)風(fēng)強度變化的專(zhuān)用儀器組成。這些儀器能夠確定沿滑翔機長(cháng)度(縱向)以及從一個(gè)機翼尖端到另一個(gè)機翼尖端(橫向)的這些變化。傳感器每秒可以進(jìn)行十次這些測量。
然后使用該數據對滑翔機的傾斜角度進(jìn)行飛行調整。機翼高度平衡的飛機傾斜角為零，將以直線(xiàn)飛行。傾斜機翼并增加傾斜角度會(huì )使飛機轉彎。在研究中，如果沿其飛行路徑的向上風(fēng)速的變化增加，則滑翔機將得到獎勵。換句話(huà)說(shuō)，如果滑翔機飛入上升氣流。
上升氣流是增加滑翔機可以在空中停留的時(shí)間的關(guān)鍵。與動(dòng)力飛機不同，無(wú)法找到任何上升氣流的滑翔機將逐漸落向地面?；铏C是下降還是上升直接取決于周?chē)卸嗌倏諝庀蛏线\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掉落;如果垂直風(fēng)足夠大，則允許其爬升。
在多次飛行過(guò)程中(總共飛行約16個(gè)小時(shí))，研究滑翔機通過(guò)訓練自己以某種輸入(傾斜角，縱向和橫向改變垂直風(fēng)速)的組合來(lái)決定自己要學(xué)習什么，從而學(xué)會(huì )了飛行。接下來(lái)應該改變傾斜角度。結果是，在所有飛行結束時(shí)，飛機已經(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(cháng)。
作為獎勵，研究人員使用了一個(gè)數值模型來(lái)顯示這種方法將使更大的滑翔機受益更大，因為它們更長(cháng)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)速變化的更準確測量。
使飛機更智能
結果提出了一個(gè)問(wèn)題，即我們可以看到哪些可能發(fā)生的未來(lái)自動(dòng)滑翔機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，設計出了自主滑翔機。
空中客車(chē)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種太陽(yáng)能滑翔機，該滑翔機可以在空中保持很長(cháng)一段時(shí)間，以替代監視或通信衛星，例如可以將互聯(lián)網(wǎng)信號廣播到地面上的偏遠地區。據報道，微軟正在使用最先進(jìn)的人工智能導航系統在自動(dòng)駕駛飛機上工作。
但是也許這項研究中開(kāi)發(fā)的技術(shù)有一天可能會(huì )導致新一代常規飛機的“智能”導航和自動(dòng)駕駛系統。這些可以使用在數千個(gè)小時(shí)的飛行時(shí)間內收集的數據來(lái)決定最有效的出行方式。這將依賴(lài)于精確的傳感器和進(jìn)一步的發(fā)展，這將使飛機能夠識別并從一個(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)熱源內滑動(dòng)。
研究人員開(kāi)發(fā)的方法和編程技術(shù)無(wú)疑將使我們更接近自動(dòng)駕駛飛行器的目標，因為飛行時(shí)間為數天，數周或數月才能執行這些任務(wù)。但是增強學(xué)習的使用再次顯示了這些算法在適應各種復雜任務(wù)(從控制滑翔機到在Go上擊敗人類(lèi))中的靈活性。