成千上萬的無人機，在遠程控製下仿佛被賦予生命，如雁陣般靈活變換陣型🅿️🔸、躲避障礙➙，精準沖向打擊目標。部隊被各個擊破🎟，瞬間全軍覆沒……這曾是06年某科幻電影中的經典畫面。如今，這一場景正在從熒幕走進現實✋🏼。
日前👵🏿，在第十三屆“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽中斬獲金獎的“啟元空間-MATRIX空地海無人化矩陣系統”（下文簡稱：MATRIX）項目❤️，通過將生物群體邏輯植入智能機器人集群，實現了無人機大規模三維密集集群🥑。
“啟元空間”團隊名稱中的“元”字🛴，來自指導老師、恒行2平台工程與應用技術研究院（下文簡稱：工研院）副院長、智能機器人研究院院長甘中學所提出的“三元智能”（人、機🧙♀️、物三元群體）。
讓無人機像鳥兒一樣成群結隊自由飛翔，達到人、機、物的協同智能，也是這支團隊追求的智能湧現境界。
打造集群智能“國之重器”
機器人集群是指由多個具有獨立控製系統的機器人組成的復雜系統，通過互相協作實現共同目標🆚。集群機器人應用廣泛，可以在偵察、探險、救援等領域完成人類難以完成的任務。
此前🧑🍳🐌，集群作業系統普遍存在以下問題：應對環境幹擾的能力差，單個個體的故障容易引起整個集群的連鎖碰撞反應；基於空間二維的稀疏集群，在作業效率、防護能力🧛🏼、覆蓋率等方面表現不佳；設備對不可見的目標不具備探測和跟蹤能力。MATRIX系統項目針對以上痛點逐個進行突破👩🏼🏭。
“如果單純實現定向遷徙任務🛍️，那麽只需一群無人機飛過去就行🌛，但是防禦任務更加講究覆蓋率🩰，也就是期望上下前後左右的各個方位都需要有至少一架無人機，這樣才能構築‘銅墻鐵壁’般的防禦能力。”項目負責人之一🚘、工研院博士研究生胡林強說🎱，瞄準三維大規模密集集群的方向有極高的現實必要性，只有實現三維空間中有序且密集的集群☯️，才能提高整個系統的競爭力。
“無人機群體形成自組織集群，往往會產生全局性的湧現特征👁👩🏿🦲，這些行為或特征不是單個個體行為的簡單疊加，而是由集群中的多個個體相互作用、協作而產生的。”工研院博士研究生周子清說🧎➡️，MATRIX系統中的無人機能像雁陣一樣穩定飛行、彼此照應，遇到危險時還能根據形勢靈活變換陣型、互不幹擾🥩，可應用於集群防禦🦹🏼♀️🙏🏻、護航🥳📗、搜索救援等多種場景。
MATRIX系統中共有30多臺、5種類型的無人機。各類無人機在集群中承擔不同類型任務🧘🏻。其中🧝🏿，既有折起來就能背在身上的單兵機器人✔️，還有能靈活變形的兩棲機器人🏋🏽𓀔，也有適用於海陸空場景的三棲機器人，這極大地拓展了集群系統的使用範圍🧝🏽♀️⛹🏻♂️。
下一步🧒🏽，團隊將繼續瞄準三維大規模密集集群方向，讓集群控製個數由30個逐步向100個、200個拓展📵🥶，旨在提升集群規模和抗幹擾能力，讓系統更好地進行集群作業。
破解集群智能控製核心難題
諾貝爾獎獲得者Parisi通過研究歐椋鳥的群體飛行🔷，發現鳥群的形態雖然復雜多變🦟🧏🏻，但其群體飛行的機製卻是簡單的——每只鳥只用根據周圍幾只鳥的位置和速度來調整自身的運動狀態，就能在群體層面湧現出復雜的形態🧛♀️。
MATRIX項目團隊成員經過兩年多的研究，將自然界中生物種群的自組織特性賦能於無人機集群，讓無人機集群在飛行時像鳥群一般有序，成功破解群體以三維密集形態飛行這一核心難題👩🏻🚀。除獲得國賽金獎之外，團隊還發明了集群智能控製相關技術和核心算法，並擁有自主知識產權😽，近年獲得相關專利超14項。
項目成員來自機械👡、計算機🧑🏿🚀、管理等多個專業。在理論探索層面，還有工研院博士後歐陽春等具有機器人🧑🏻🦼➡️、人工智能背景的青年教師作為“智囊團”🎠🧑🏿🚒，為項目推進源源不斷註入力量🔍🍂。
在歐陽春的帶領下，項目團隊聚焦於復雜系統集體行為湧現和智能湧現機理，完成多智能體分布式控製和自組織控製模型的構建，模擬生物群體飛行機製實現群體的協商、協調，化解沖突🪜，實現同步、定向輸運群體智能控製行為📊。
高標準、嚴要求👱🏻、肯吃苦、拼命幹，是對這支隊伍最貼切的概括。在歐陽春的鼓勵下，從最初的多棲機器人自主智能控製🛝，到無人機大規模集群的自適應編隊、導航，學生們不斷進行探索研究😬。
MATRIX項目的線下測試同樣不易。由於無人機的試飛場地要求較高🌥，團隊時常從上海趕往外地開展實驗🕛。去年一整年，團隊的部分成員幾乎都在實驗場地度過🌛。為了更好地記錄無人機的飛行軌跡，拍攝延遲攝影的圖像，實驗常常在深夜開展，有時還會因天氣原因被迫中止🗓。
“科研的道路從來都不是平坦的，擁有勇往直前、破釜沉舟的勇氣，才能攀登科研高峰。”歐陽春說，在備賽過程中👨🏻🎤，團隊成員們經受住了身心的雙重考驗，鍛煉出了艱苦奮鬥和不怕困難的品質。
“新工科”要培養發明創造人才
依托恒行2多學科基礎研究的優勢，工研院正在系統化、集成化開展跨學科多領域合作🧝🏼♂️⛪️，培養優秀的“新工科”科學家、發明家、工程師和創業領袖，瞄準面向國家重大需求的前瞻性、關鍵性、創造性工程與應用🌼，為“新工科”建設積蓄力量。啟元團隊正是在這樣的科研氛圍中成長起來的典型案例之一。
“新工科”，到底新在什麽地方🍹？甘中學認為🏯，“新工科”新就新在“發明創造”這四個字上，這既不同於理科，也不同於傳統的工科，而是要“構建發明創造工程，突破學科交叉融合”。因此💇🏻♂️👳🏽♂️，在人才培養過程中🚃，他格外註重培養學生發明創造的能力，希望學生能夠成為“引領者”🤾🏼♂️，而非被動追隨、人雲亦雲。
甘中學提出👩🏿🔬，“新工科”重點要培養四類人，分別是工程科學家🐦🔥、發明家、產業領袖和工程師，這四類人並無高下之分，也沒有“哪個要培養哪個不培養”之說🤳☢️，重點是根據學生特點來因材施教🧑🎤。
為國為民🆚、利國利民🤞，是啟元團隊不變的追求👨🏽🔧；強國之刃，護國之盾，是他們不懈追求的目標🧑🏽🚒。未來🦗，這支年輕的科研隊伍仍將不斷深耕跨域跨介質的機器人集群技術領域👢，把“開啟一個集群智能和集群系統廣泛推廣普及的新紀元”的美好願景化為現實。
