會集群的不只飛鳥與魚，還可能是無人機

你是否曾經為天空中大規模的歐椋鳥群所構成的巨大圖案感到震驚過？你是否會被魚群環繞成巨大的球體以抵抗鯊魚的侵襲而傷感過？你又是否幻想過，當某天鋪天蓋地而來的不是鳥群，卻是帶有精準目標識別與定位系統的無人機群時，你該作何反應？北京大學水下機器人設計與集群控制博士，北京科技大學無人機集群控制講師賈永楠為我們帶來《科研小世界，人生大夢想——從生物集群行為到無人機集群》。

賈永楠演講視頻：

以下為賈永楠演講實錄：

大家好，我是賈永楠，是一名普通的科研工作者。我平時最大的愛好，就是在自己科研的小世界裡面不斷地探尋。但我很喜歡把我的科研的成果和生活聯繫起來，因為萬事萬物其實充滿著千絲萬縷的聯繫。從一個小小的科研領域出發，也許就會串聯起許多看似毫無關聯的故事。我想帶著大家一起，從一個科研工作者的角度看一看集群的世界，以及它所帶給我們的一些驚喜。

無人機在如今社會裡，應該是比較普遍的了；大家應該或多或少地聽過、看過或者使用過無人機。那麼我們先開一個腦洞：一架、十架或者一百架無人機，你能想到最酷的使用方法是什麼？

就我自己而言，我認為最酷的無人機使用方式是集群。

無人機的應用，在軍事上也許會有無限的可能性。如果我們能夠釋放出成千上萬架無人機，它們就能夠穿透敵人的重重炮火、層層防禦，抵達最終的目標實施打擊或者是偵查任務。而且，無人機的成本非常低，它的載荷也只是一點點的炸藥，所以即便被敵方捕獲，也不必擔心泄密——從前我們研製的一些高大上的設備（比如軍用的設備和導彈），一旦被擊落就有可能技術泄密。

再舉一個生活化的例子。2017-2018跨年的時候，布達佩斯上演了一場非常美妙的煙火秀。大概30架無人機，攜帶彩色的燈光和煙火升空，先擺成2017的字眼，然後燃放煙花、變換隊形，再呈現出2018的字眼，代表著從2017過渡到2018。我相信很多觀眾可能都看過無人機帶來的燈光秀，它通常一般就是擺出一些漂亮的字眼，再進行一些簡單的變換；但是無人機攜帶煙火去空中釋放，也是一個非常美妙的場景。

無人機也可以演奏一些比較簡單的音樂會：有的彈奏電子琴，有的敲擊打擊樂器，還有的撥動琴弦。

通過前面的例子，可以發現：一個功能簡單的機器人，通過大量組合就可能完成非常複雜的任務，成本還相對比較低——就是我們常說的「集體力量大」。

無人機去集體完成任務，個體之間需要進行信息的交互，也就是要組成信息的網路。同時，只需要攜帶一些具有簡單目標識別和定位功能的載荷，它們就可以完成很多複雜的任務。執行軍事任務，就攜帶炸藥；展示燈光秀，就攜帶彩燈；上演煙火秀，就攜帶煙火；演奏音樂會，就攜帶必要按鍵。

大家可能注意到了，前面說的無人機集群的表演，都是用四旋翼無人機去實現的，目前這種技術也是相對比較成熟的。但是四旋翼無人機它有一個非常大的問題——它也有雜訊，而且是無可避免的。那麼，假設有一天無人機可以實現靜音飛行，是不是就可以做更多的事情呢？

如何讓無人機可以實現靜音飛行呢？靈感可能來自於哪裡？夏天蚊子靠近人的時候，是不是感覺不到它的存在？

實際上，很多時候我們研究的靈感都源自大自然。比如歐椋鳥，它們在進食之後要回歸巢穴，而中間有一段很長的距離，如果單獨返回就很容易被捕食者侵害。所以，它們就會成群結隊、集體回家。這時候，就會在空中呈現出一個美輪美奐的景象：上百萬隻歐椋鳥自由地流動，呈現出各種各樣的場景。有時候像沙畫，有時候像一隻鳥，變幻莫測。

再看一下沙丁魚群，它們通過帶動相近的沙丁魚逃開，最終鯊魚就吃不到任何食物，這也是它們能夠在自然界中得以生存下來的一種方式。

我們剛才看了兩個例子，知道了自然界中的群居動物在遷徙捕食或者躲避敵害的時候，常常會呈現集體行為。那背後的機理到底是什麼呢？

我們可以一起來做一個小實驗。請大家都舉起右手，然後前後隨意擺動——看上去亂七八糟的。但是如果盡量和周圍人保持一致，最終所有人就會以一致的頻率，甚至一樣的幅度前後擺動。

實際上，這就簡單地解釋了為什麼鳥群和魚群可以保持一致的行為。這個力，我們在物理上稱為「粘滯力」，也是動物界中集群行為的一個最基本的機理。

我們剛剛也看到了，沙丁魚群會形成高速旋轉的球體，這又是怎樣實現的？

左邊這幅圖是螞蟻，它們發現食物的時候會把食物團團圍住，並且高速地旋轉起來。這就說明目標源對它們的行為是有影響的，我們把這個力定義為「吸引力」。目標源集中在場地中間，對每一個螞蟻都會有一個指向中心的吸引力，就導致它們圍繞目標高速旋轉起來了。

我們現在知道了自然界的集群現象，也分析了背後可能的機理，接下來該怎麼做？

作為一個科研工作者，首先想到的就是建模與模擬，因為這是驗證結論是否正確的一個非常直接而又簡單的方法。

我們把每個個體假想成質點，然後把假想的控制策略加進去，就可以復現出動物的集群行為，以此來檢驗策略到底是對還是錯。

比如，在一個正方形的產場地內，分布著若干個小個體。施加粘滯力和吸引力後，會發現它們能夠像歐椋鳥一樣自由地在遊動，並且保持一致的方向，彼此間還不會發生碰撞，就驗證了集群的策略是正確的。

那麼，把機器人本身的模型加進去，要怎麼做呢？就是說，能不能讓它們保持集群的行為，同時按照我們指定的軌跡走？

初始的時候，在長方形的區域里隨機分布著幾條紅色的魚，後來引入一條黃色的魚作為領導者。我們給領導者規定軌跡，然後讓其它紅色的魚跟隨它的行為。最終我們發現，所有的紅魚都會彙集到黃魚的周圍，並且保持一個密集、緊緻的隊形一起運動下去。

應用這個原理，煙火秀可以呈現出特殊的字眼或圖案。其實很簡單：固定好隊形後，讓每架無人機記住和鄰居之間的固定距離，通過調整距離，最終就能形成所期望的隊形。

還可以實現舞者和無人機共舞。無人機在天上飛，我們可能很難控制它的軌跡；但如果給地面上的舞者手上加一個信號器——就像黃魚一樣，無人機就會跟隨信號器運動，向左或向右旋轉。

老子的《道德經》里曾提到：「一生二，二生三，三生萬物。」實際上就是告訴我們，萬事萬物都是從簡單到複雜，從個體到群體，從單體的智能到群體的智能，大家都是這樣慢慢繁衍下來的。

每個人生而平等，都是獨特的個體，但會慢慢變得不同——這取決於很多的因素，比如遺傳，比如後天環境的歷練。

剛剛的模擬，我們是把每個個體都假想成一個粒子，每個粒子都是一樣的——一樣的能力，一樣的運動學規律，最後形成一種集群的行為。那麼，個體差異對集群行為有著怎樣的影響？考慮個體差異的集群行為到底是什麼樣呢？

以蜜蜂為例，按照進化論的思想，假設最早的時候只有那麼幾隻蜜蜂，但是隨著時間的推移，它們之間就會選出一隻比較厲害的成為蜂王。但是，蜂王能領導的蜜蜂數量是有限的，所以當更多的個體來臨的時候，它們就另起爐灶形成了另外的團隊。如此層層繁衍，最終就形成了層級化的結構。

實際上，這種分層結構在人類社會也普遍存在。比如學校裡面，有校長、院長、班長；軍隊裡面，有軍長、師長、團長。

那麼，集群行為里，到底是平等主義好，還是層級主義好呢？

這個問題可以通過模擬來驗證。實際上，鳥也好，魚也好，它們的運動都不是直直地往前走，總是有一些擾動。所以我們就加入了一些擾動。然後我們就會發現，層級化的結構好像一直比較穩定，而平等的結構慢慢地就分散掉了，從一個整體變成了若干的小團隊。

其實說了這麼多，我想跟大家分享的其實是一件很簡單事。我眼中的科學實際上並不複雜，它就在你我的身邊：問題呢源於生活，解決思路也源於生活，源於自然界。我們做那麼多科研，研究了那麼多科技，最終的目標還是服務於生活，增加我們的幸福感。

作為一名科研工作者，生命不息，科研就不止，這是我自己的承諾。如今，戰爭已經是沒有硝煙的戰爭了，不會為了爭奪地盤或者資源去打仗，更多的是對科技、人才和知識的爭奪。有志於報國的青年人士，必將實現我們偉大的中國夢。

我的分享就是這些，謝謝大家。

演講嘉賓賈永楠：《科研小世界，人生大夢想——從生物集群行為到無人機集群》

作者：賈永楠

編輯：麥芽楊、凝音

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