美国团队开发“声导微型无人机”

在传统光学传感失灵的环境里，视觉依赖型无人机往往束手无策。美国伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute，WPI）正在开发一款“声导微型无人机”，以回声定位为灵感，让机身小于100毫米、重量不足100克的微型飞行器在极端环境中通过超声信号来识别障碍、规划路径并完成搜索任务。这一方向已获得美国国家科学基金会（NSF）“机器人基础研究”三年资助，金额约70.5万美元，核心目标是构建一套以超声为主、融合多源信息、面向灾害救援与高风险环境的自主导航体系。

一、技术路径

声导导航的核心在于发射、接收、解析的闭环：以低功耗超声阵列主动发射脉冲，借助回波的时延、强度与到达方向（DoA）推断距离、形状与方位；再通过嵌入声学与几何先验的深度学习模型，对多径效应与环境噪声进行鲁棒解算，形成近似“声学成像”的空间理解。团队计划将声波传播特性直接写入神经网络的损失函数，使模型在学习过程中自动遵守相关物理规律，并结合层级式强化学习框架，让无人机在理解局部环境的基础上，根据任务目标做出路径选择和避障决策。整个感知与决策流程在机载处理器上闭环完成，以适应灾害现场算力受限、通信不稳定的约束。

对于旋翼噪声与结构遮挡带来的声学干扰，方案兼顾材料与机构两端：一方面引入声学超材料设计，在有限尺度上调控声波传播与反射，以抑制桨噪、提升指向性；另一方面评估振翼推进等替代动力以减少高频宽带噪声的遮蔽，并在机体上通过“类似耳廓”的结构集中与放大回波信号，整体提升“听”的信噪比。波士顿大学等机构的研究表明，声学超材料能够在可控体积与重量预算内实现显著的噪声阻隔与声束整形，为小型平台的声音管理与声束控制提供了工程抓手。

为了进一步提高鲁棒性，研究还会将声学信息与惯性测量组件等数据进行融合，用多源感知抵消单一传感失误带来的风险。例如，当烟雾导致部分回波异常时，系统可以依靠惯性里程和历史轨迹保持基本姿态与方向，防止“迷航”。

二、应用场景

研发团队负责人Nitin Sanket教授表示，研究面向救援与危化环境的“抗脆弱”感知与机动能力。地震、海啸、矿难、火灾等场景往往伴随停电与能见度急剧下降，人类救援人员不可能在第一时间进入全部危险空间，而常规无人机又严重依赖光线。声导微型无人机有望填补这段“黑暗窗口期”，先行进入废墟或烟区侦查空间结构，为后续救援提供路径与风险信息。

未来的应用设想还包括利用更敏感的超声波与信号处理算法，捕捉被困者心跳、呼吸等微弱体征，从而在视觉完全受阻的情况下完成“盲搜”。一旦单机可靠性提升到足够水平，再向小群体协同甚至蜂群方向扩展，每台无人机负责一小块空间，用分布式算法共同完成大范围搜索和环境绘制，从总体上压缩黄金救援时间。

除了救援，声导无人机在危险环境监测方面同样具有潜力。例如进入化工厂房内部检查泄漏、在火山口附近或高辐射区域执行测绘，甚至在海岸洞穴、密林深处进行生态巡查。由于尺寸小、成本有望压到几十美元量级，这类无人机可以视作“可消耗工具”，在必要时牺牲单机来换取关键信息，而不至于造成过大的经济负担。

三、趋势观察

声导微型无人机体现了几个值得关注的趋势。第一，机器人感知从单一视觉向多模态转变，把声音这种传统上用于测距的信号提升到环境理解与决策的层面，有助于构建对极端场景更加友好的自主系统。第二，仿生设计从外形模仿走向机理挖掘，不是简单做“仿蝙蝠外观”的无人机，而是学习蝙蝠如何在噪声环境中进行编码、发射、接收和解读回波。第三，人工智能与物理知识结合，使算法不再停留在“纯数据黑箱”，而是将声学和动力学约束内嵌到模型中，从源头提升在资源受限平台上的可靠性与可解释性。

参考文献：

[1]Jijo Malayil. US team develops sound-guided tiny drones that can fly where cameras fail to see[EB/OL].(2025-11-02).https://interestingengineering.com/innovation/sound-guided-drones-fly-where-cameras-fail.

[2]Holly Ramer. How tiny drones inspired by bats could save lives in dark and stormy conditions[EB/OL].(2025-10-30).https://www.ap.org/news-highlights/spotlights/2025/how-tiny-drones-inspired-by-bats-could-save-lives-in-dark-and-stormy-conditions/.

[3]Professor Nitin Sanket Wins $705K NSF Grant to Advance Bio-Inspired Sound Navigation for Tiny Robots[EB/OL].(2025-09-24).https://www.wpi.edu/news/announcements/professor-nitin-sanket-wins-705k-nsf-grant-advance-bio-inspired-sound-navigation-tiny-robots.

[4] Brianna Wessling,Eugene Demaitre.Bats inspire WPI researchers to develop drones using echolocation [EB/OL].(2025-11-01).https://www.therobotreport.com/wpi-researchers-create-bat-inspired-search-rescue-drones/.

[5]US Researchers Develop Sound-Based Navigation for Tiny Drones[EB/OL].(2025-11-11).https://www.uasvision.com/2025/11/11/us-researchers-develop-sound-based-navigation-for-tiny-drones/.