英国200年前那次海难推迟了无人机问世

1744年,英国皇家海军"胜利号"战舰海难。版画作者为彼得·莫纳米和皮埃尔·卡诺特,创作于1744-1745年。 Image copyright Alamy
Image caption 1744年,英国皇家海军“胜利号”战舰海难版画,作者为彼得·莫纳米和皮埃尔·卡诺特,创作于1744-1745年。

1744年10月5日,英国皇家海军旗舰“胜利” 号率舰队在葡萄牙海域驱逐法国舰船,得胜后打道回府。

但是,返航途中不幸在英吉利海峡遭遇风暴,“胜利” 号不敌狂风巨浪,在普利茅斯港以南80公里处沉船,然后在海底静卧了265年,直到2009年英国海军搜救队发现了它的残骸。

海难发生时船上有1100人,据说还有大量来自葡萄牙的黄金。

不过,船上还有一件宝贝,据信经济价值远超黄金:旋转的镜子(whirling speculum)。

那是历史上第一个最接近陀螺仪的设备,算是陀螺仪的前世。今天手机游戏和防抖功能就用到陀螺仪传感器,最早用于航海,用陀螺辨认方向,计算角速度,后来又用到潜水艇、飞机、火星探测器等各种科技产品中。

旋转的镜子是约翰·塞尔森(John Serson)发明的 。

塞尔森是军舰的舰长,识字不多,但在机械方面有一种超凡的天才,当时就远近闻名,还上过《绅士杂志》。

他捣鼓这个转动的镜子,是想解决一个严重的问题。

那个时代航海,人们用四分仪确定太阳和地平线的角度,据此判断船的位置。问题是在海上,经常因为天气或其他原因看不见地平线。

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纳米地图:让无人机用“不确定”系统飞准确

塞尔森有一次看到一款头部会转动的儿童玩具,忽然来了灵感,觉得地平线可以仿制,可以在颠簸晃动的海船上始终保持水平。

《绅士杂志》的报道介绍说,他“做了个模型,顶部是个竖轴垂直的圆形抛光金属片;他发现,不出所料,这个组合快速转动时,金属片很快就能恢复水平状态。金属片如果被倾斜,它也会迅速复原。”

两名海军高级军官和一位著名的数学家对这个装置十分赞赏,鼓励塞尔森继续完善他的发明......把它带到“胜利” 号战舰上进一步考察,搜集数据。

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Image caption 从15世纪开始四分仪就是航海设备

但是,天有不测风云,海难发生时,塞尔森和他的发明一起沉入海底。

他的遗孀莎拉·塞尔森一分钱也没得到,便去找海军部索要这项发明的记录材料,希望可以用来谋取商业收益。但是没有证据显示她的要求得到了满足。

不过,一个世纪之后,法国物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转发明了陀螺仪,原型设计所依据的原理跟塞尔森直觉感受到的一样。

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Image caption 1883年法国物理学家傅科的陀螺仪

傅科把自己的发明称作“陀螺仪”。这个名字来自二个希腊文词汇: 转动和观察,因为他用这个装置来研究地球自转。

后来有了电动马达,陀螺仪的碟片可以一直保持转动。于是,它立刻成了用途广泛的热门仪器。

舰船和飞机从此自带了实用的人造地平线,20世纪初又有两位发明家在此基础上发明了电子罗盘。

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Image caption 电子罗盘被誉为是一项现代奇迹。

在这些基础款上添一些这个、那个的,比如加速度计和磁力计,就可以更精准地判断自己的位置和方向。

把这些数据输入校正系统,就成了飞机自动驾驶仪,舰船的陀螺稳定仪,航天飞船和火箭上的导航系统。

再加上GPS(全球定位系统),我们就确切知道自己身在何处。

陀螺仪的旋转碟片最小尺寸是有限的,但人类又发明了能够将陀螺仪缩微的技术,细微到只有几个立方毫米。科学家还在研发以激光为基础的陀螺仪,比人的头发还要细。

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Image caption 1999年, 世上第一只GPS腕表问世。

随着传感设施变得越来越小,成本越来越低,电脑速度越来越快,电池越来越轻巧,它们的用途也迅速扩大,从智能手机到机器人,从游戏机到虚拟现实头盔。

还有,无人驾驶飞行器。最早的无人机据信是1849年问世的,比傅科的陀螺仪晚3年。

当时,奥地利要进攻威尼斯,把炸弹绑在气球上,等风向顺了就放飞。当然不是很成功,尤其是不少气球炸弹没有飞过边界,落在奥地利境内。

不过,无人机这个概念的军事应用并没有因此而湮灭。直到4、5年前,关于无人机的新闻都跟战争有关。

然后,突然间就冒出很多涉及空中交通管理、机场附近设禁飞区,以及无人机送货的文章。

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世界无人机锦标赛在深圳举行,超过120名选手遥控无人机在障碍丛生的跑道飞行,15岁的澳大利亚少年夺得冠军。

无人机送货何时成为常态?这个问题不好回答。到目前为止,无人机最常用的领域是电影拍摄、地理勘察等,还有在普通交通工具难以抵达的地方运送紧急医疗器材和药品。

不过, 如果无人机能发展到日常送货和载客的普及程度,那才是真正的大变局。

这件事中国已经有公司在尝试,比如亿航智能,就在开发载客无人机。

在中国农村,送货无人机呈现跳跃式发展势头,因为那里的基础设施无力抵挡这种新科技的崛起——那里没有大型购物中心,道路交通水平参差不齐。

江苏张圩村,全村没几辆汽车,半数家庭有冰箱,但人人都有手机,都用手机网购各种日常用品,从一次性尿布到新鲜螃蟹。

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Image caption 京东从2016年开始在江苏省使用这种送货无人机

据《纽约客》杂志撰稿人樊嘉扬记述,京东用这款无人机向这个村子运送村民网购的物品,每天4趟。无人机载重至多30磅(13.6公斤),飞行时速45英里(约72公里)。

如果无人机送货更加普及,那么目前还不是太突出的“最后一英里配送”瓶颈问题就会浮出水面。

京东在张圩村是用人工负责送尿布、螃蟹之类商品上门,但在人工成本较贵的国家,“最后一英里配送”的代价就会在成本里占大头。

如果这个环节能够实现自动化,那么传统的实体商店可能就失去存在的必要了。

但目前谁都没有解决方案。

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Image caption 亚马逊和谷歌都在尝试用大型无人机送货

当然,还有更多问题需要解决。我们总是梦想网购的商品有一天能够被空降到自家后院或公寓楼顶,可行吗?

是不是还应该安装智能窗户,主人不在家时可以自动打开,让送货无人机飞进家里,可实现?

是不是应该对无人机设置更严格的禁飞规限?伦敦的希思罗机场和盖特威克机场今年都发生过无人机干扰造成混乱的事件,造成航空交通一片混乱。

还有一个容易被忽略但十分重要的问题,也就是不幸的塞尔森舰长1744年遇到的问题:气候。

空运货物的普及有一个前提,那就是无人机必须能在全天候条件下运行。

无人机可以安然穿越暴风雷雨而不折翼吗?到那一天,也许可以说陀螺仪的价值真正得到了实现。

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