品味蘋果:微小型無人機專家 觀鳥拆解飛行密碼史維︰從沒發夢自己會飛

品味蘋果:微小型無人機專家 觀鳥拆解飛行密碼
史維︰從沒發夢自己會飛

史維說他從無夢見自己會飛,只試過夢中看鳥。有些人夢中快樂翱翔,別無恐懼。有些人,夢裏飛越重山,身不由己。人把生活上的信心與焦慮投射,所以夢中化鳥。
「一定會摔死,一定的。這樣說罷,還沒有人能活過。」香港科技大學首席副校長史維說。百多年以前,德國工程師Otto Lilienthal用滑翔機試飛,最終摔死。至於發夢,他笑說:「厲害啊,我可從來沒發夢自己會飛。」
史維是飛彈之父錢學森徒孫。1977年他在台灣國立清華大學修畢機械動力工程後,1979年考得美國獎學金到密歇根大學跟從Thomas Adamson Jr.研究,分別於1981至1982年取得航天工程學碩士及博士學位,Thomas Adamson Jr.正是錢學森在加州理工學院的學生。史維五年前來港出任科大首席副校長之前,是密歇根大學講座教授及航天工程學系系主任。近三十年來,他以學者身份為美國太空總署處理不同研究項目,2002年取得該署1,500萬美元資助成立未來太空運輸研究院,是少有華裔首席研究員,著名項目包括為新式太空穿梭機研究渦輪及引擎,提升可再用功能。九十年代中,他得到美國政府國防部贊助經費,研究小型無人機15年,透過生物啟發,約於2001年成功研製約6吋長的微小型無人機(Micro Air Vehicle),名為Gator(鱷魚),是航天工程走向尖端微型科技的同類項目之一。
一次正式訪問後,飛彈之父的徒孫帶記者到西貢碼頭觀察黑鷹飛行。
「像你這種性格,為甚麼要當副校長去管人?」迎着碼頭走,日落西風,海中小島百鳥歸巢以前,黑鷹忙在海上覓食。這個時候,高空上剛起飛的「鐵鳥」飛得特別慢。沒留意史維當時候的樣子,只猜想,管人與被人管都不是有趣的事情。他小時候愛捉蜻蜓蝴蝶、用彈弓打鳥,現在於科研、行政以外,還原率真,「我小時候很調皮的。」

香港科技大學首席副校長史維從雀鳥飛行啟發研製微小型無人機。

無孔不入但非為間諜研製

世上幾千種鳥,史維看過幾百種。停在樹上的,他沒興趣。飛着的,百看不厭。觀察黑鷹飛行捕獵後,西貢巿Classified餐廳飲啤酒吃薯條。記者出想像力,史維出理性。他的「鱷魚」無人機,後來優化至只有4吋長。若科幻間諜小說要寫微小型無人機,一定要追上科研速度。
「無人機最小最小可以有多小?」黃昏是沒有秘密的。
「就這樣大。」史維向記者豎起食指頭的一小半。
「像蒼蠅一樣?」看到一雙放大了的瞳孔,他笑起來。細小的無人機,可以到大亞灣核電廠收集核輻射數據,或是在北京收集PM2.5空氣質素樣本。福島地震,四川汶川地震,人去不了,路又斷了,可以遙控無人機探測輻射情況及執行小型運送任務。當然,它的威力也在於監視,可以做情報工作。所以,美國白宮及日本首相官邸出現無人機,特別懸疑。
史維曾替美國空軍做很多研究,都不是機密的。「我從來沒有跟任何單位做不能發表的工作,基本前提,都是必須公開發表的。」科學放於政治、軍事,殺傷力大,中立是學者必具之義。
「還有甚麼問題沒解決?」
「穩定性。它為甚麼要掉下來?」
優化微小型無人機在於操控。這樣小,還能飛,又不掉下來,而且風一吹,隨時可以調整。Flyer inspires the flight,一隻蒼蠅都是學問。「蒼蠅飛過來,你馬上就要打牠,但九十次都打不到,牠很厲害,比你快很多,對不對?」他說蒼蠅之時,記者想到蚊。一若杜鵑花大小的蜂鳥無人機,機翼只有2吋長,已經有人研製成功,但仍然是有線拉着飛,要無線飛行,還有很多問題沒解決。
「我們覺得有趣,當然是間諜的事情,這麼小的。」
「從我們觀念來講,間諜是一個可能,可是我們不是為了這個做研究。」教授說。
「只是討論,怎麼可以做到這個地步?」記者問。
「可以做得更小,跟灰塵一樣。」
「啊!」
「它也不見得一樣的飛,它有不同的方法去飛。」
「可以這麼無限嗎?能有一個限制嗎?最小最小……」
「那不一定,看你的creativity,再過五年問我就不一樣了。」對話之間都是笑聲。不怕精、不怕呆,最怕沒將來。將來,是科學的支票簿。眼前科學家不怕儍人,史維應該是個好老師。「你不能用我們現在的想法,蚊子又是怎麼飛、怎麼看啦?」他說一隻蚊看圖形、動作,不看人的樣子,人動手打牠,牠不需要知道甚麼是手,本能就會飛走,這是自然界生物感應的精密部署。
「蚊這麼小,怎麼把鏡頭放下去?」記者繼續在自己的思想軌迹發問。
「放照相機是很難,放化學感應器(chemical sensor),只放一兩粒原子就夠。」最動人的訊息,兩粒字也就好了。現代科技世界不再鬥大,而是鬥操控,鬥微型,鬥無形。

只有杜鵑花大小的蜂鳥拍翼飛行方法,當中隱藏了深奧的飛行動力學。

談錢學森之變︰因中國需要

史維是美國航天及宇航學會、美國機械工程師學會院士。少年時候,他以為自己應該修讀哲學及歷史。父親四九年跟從國民黨從大陸到台灣,本來任職教育部門,到台灣後變為軍人,實質上,他受的軍事訓練很淺。四個兒女之中,他是長子。人生啟悟,從大學選科開始會後悔,但真正肯為後悔事情付代價的人不多。史維考進清華大學修讀機械動力工程(Mechanical Power Engineering)後,一度想重考入學試轉讀文科,父母聽了不高興。於是他走課自修哲學,可是,大三那年,他又發現,原來曾經不喜歡的,可以變為喜歡;一直喜歡的,卻又沒有變為不喜歡。
到美國跟Thomas Adamson Jr.當研究生後,史維才知道對方是錢學森學生。老師給他最大影響是對科學的奉獻與好奇。至於錢學森的理論,從史維那代開始至今,已經變成經典教科書裏的基礎理論。飛彈之父的性格為人,老師曾親口憶述。「他講過一件事情,錢學森因為遲婚,生小孩比較晚,我的老師同時間也有個baby,錢學森跟他講,你這個給baby吃的營養配方不是自己配的。他為孩子自行配方,以為很聰明,最終還是要聽營養專家意見。有時候,自以為是嘛,都有的啦,所以難講。」當時中美冷戰,在充滿不信任的麥卡錫時代,錢學森在美國最後幾年已變成另一個人,「錢學森的事情是很複雜的,他在不同階段的生命有很大改變,回中國大陸以後,做的事情整體都是武器,因為中國需要。他做的衞星「三彈一氫」都有功勞,當時是重要人物,不同環境有不同需要。所以,到最後,你要決定是不是要服務人民,是貢獻多還是毀滅多。」
史維剛把朋友送他的《The Age of the Unthinkable》看完,明白人生、科技、經濟與政治都可以荒謬的弔詭,例如為甚麼世界致力反恐卻刺激出更多恐怖分子?巴黎恐襲當晚,他看猶太朋友的父輩逃難故事,感覺特別深刻。人心追求和平,作為學者,研究被人怎樣利用是難以控制。在美國三十年,史維參與過火箭及太空船研究項目,也包括研究飛機固定翼及非固定翼的空氣動力學。來科大首三年,他繼續為太空總署完成研究航天器的推進系統。並且一直編寫航天科學書籍,包括與其他學者合著《An Introduction to Flapping Wing Aerodynamics》,解釋小鳥及昆蟲的拍翼原理跟微小型無人機的飛行關係。

受小鳥昆蟲拍翼理論啟發

以往大型無人機(drone)是固定翼的,機翼有兩三公尺長。在阿富汗用飛彈殺了很多人的也叫drone。把大型飛機固定翼飛行空氣動力學放在微小型無人機是行不通的,遠於1934年,Antoine Magnan把固定翼飛行程式放於大黃蜂的體積及飛行速度運算,結論變成:大黃蜂不會飛。多年以來,大自然昆蟲與雀鳥飛行,都停留於觀察理論層面。史維說,成功令微型無人機從不能飛到能飛,都是這十多年的研究成果,主要是因為碳纖物料及微型電子的出現,加上研究成本低,世界很多地方開始研究。史維解釋,成功優化微小型無人機,最大關鍵是了解小鳥昆蟲一對又軟又會變形的翅膀,例如蜂鳥飛行時8字形的拍翼,蝙蝠翅膀二十四個關節可以伸縮變動,這對飛行的升力及推力都很重要,而且還能隨風轉動方向。如何把翼的軟度及變形程度成功轉移到小型無人機航行上,要經過不停的空氣動力試驗,蜂鳥無人機8字形的拍翼,就是為了實際飛行動力學的需要而不是要讓它看來趣致。
史維八十年代初在美國當研究生時候,在舊書店買了一本書,是劍橋大學一位攝影師拍攝的昆蟲相集,「他拍攝這個蟲呀,非常非常漂亮。」剛滿六十歲的教授,因為喜歡拍攝雀鳥,經常背負沉重攝影鏡頭,當作體力訓練。
記者隨意翻看他在科大網頁內的攝影( http://evppo.ust.hk/flightinsight/#home ),驚嘆萬物一元。在他鏡頭下,雀鳥飛行形態,像書法,也像水墨。空中落墨,橫直撇捺,剛勁有力的筆觸,正是雀鳥拍翼飛行模式,向上向下,翻內翻外。別人看意境,他看小鳥飛行密碼。有些極具詩意,有些道破世情。有一幅,背後故事是香港公園的大鳥欺凌小鳥。一隻小鳥被大彩雀攻擊,最後,鏡頭下,只見大彩雀惡形惡相咬着小鳥,另一小鳥只能含着同伴留下的一根羽毛。到最後,只剩一根毛?記者當時致電詢問,教授隨和笑着解釋:「小鳥沒事,大鳥放了牠,三隻鳥一下子就飛走了。」
航天工程教授精采的地方,是他能把天上有生命的及無生命的,透過淺易科學理論,優雅攝影,把生命與科技拉在一起,而且樂於解釋。來港生活五年,他會跟太太到深水埗找白糖糕,周末愛到銅鑼灣享受風味特色西餐館。天上地下,東西共融,最重要,他敢於溝通。作為台灣出生成長的美國公民,他坦白說,科大是很美國化的大學,但行政系統卻是英式管理,既鼓勵發展,卻又很多規矩章則,到最後,骨子裏留着中國人的傳統,比較保守。不少來自美國的教授,都被conditioned至趨於保守,「我是很美國化的,喜歡凡事放在枱面講清楚,若有不同意,就辯論,但其他人都不會這樣做。」科大是香港的縮影,他認為香港管理層比較尊重官僚系統,美國則是容許有個人決定的空間。
土壤對任何生命都重要。在哲學與歷史思考裏,史維相信人生是一趟自我實踐的過程,願意來科大當首席副校長,因為他對全球化下的東方與西方,有自己的價值觀與看法。他看過不少西方人抱着開明態度來探討東方,實質所知皮毛。全球化下亞洲變化巨大,東方以西化為國際化;西方以東方變得更像西方為好,最終發現,東方跟西方不論多像,都有着根本不同,史維最關心的,是東方西方還沒有達到真正的平衡(equalibrium),沒有在互動裏真正互相認識、互相得益,「若我能貢獻,這是很特別的機會。」
以航空工程為例,美國是全世界最先進,他認為,因着中國,香港可以有獨特角色貢獻,「如果要找實驗平台的地方,香港是非常非常好,在國際上,沒有比這裏更好。」他希望香港與中國能把分歧收窄,因為兩地在意念交流上,其實還不夠多。不是說一定非得要去跟中國合作,也不應說非得一定不去。「若我們只跟國泰或是太古做事是不夠的,我們應該給所有機會學生,不可以說,無論如何不喜歡去中國,因為不喜歡中國人。」

史維鏡頭下的雀鳥飛行形態,空中落墨,極具詩意。

「香港跟大陸斷了是不務實」

科大校委會主席廖長城上任不久,作為科大首副,他開放的跟記者討論香港情況,但不想介入港大校委會否決陳文敏任副校長的風波。對於院校自主及學術自由重要議題,他說:「對我們來說,從來沒有人問我們做研究的、或是其他人有關的政治立場。」在行政上,課程是他管轄範圍,他說科大也開辦民主課程,從來沒有人干涉,這也是他會守護的學術自由底線。
「徐立之去年離任時也說過相類說話,我相信他講真心話,問題是你不知道甚麼時候會發生甚麼事情。」記者說。
「所以我們必須警醒,但另一方面,我們也不能因為這樣,肯定說這一定會發生,有些我們不知道的事情,應該就事論事,任何還沒有發生的事情,就說它早晚會發生,這樣我們是不客觀,對不對?若有人做了一些事情,發生了,我們不能讓它破壞我們的制度,這是有原則,有底線,可是,我們不能把原則變成speculation、suspicion(猜測、懷疑)。」
若香港輸掉信心與原則,就甚麼都不能作,他是台灣過來的,應該明白。「台灣跟香港不一樣,第一是相隔一個海峽,第二它有主權。」他認為,對中國大陸來說,香港有真正民主,會挑戰大陸的正統性。「佔領運動以後,北京不會給香港完全真正民主,因為肯定香港受外國勢力影響。」他認為香港要民主,但福祉同樣重要,不能因為沒有民主而不顧現實情況,認為香港要跟大陸合作,也要復和,否則受苦的是年輕人。
「我沒到大陸生活過,我也不想在那裏生活。所以這看你們能不能跟她合作,你看台灣,他們在大陸有很多移民,台灣也有台灣的限制,上海有60萬台灣人,不是說,他們喜歡在那裏,在我看來,他們願意在那裏,是因為考慮所有因素以後,他們在那裏還是比較開心。有些人做得很好,有些人不是。不講別的,台灣薪金跟香港差很多,所以香港跟大陸斷了,是很不務實的。」美國即使視中國為未來威脅(future threats),存在競爭,「但美國也不是跟中國完全沒有掛鈎的,美國的利益是分開,所以,你不能把所有的事情混在一起,應把一些東西留給自己。」
史維的想法是,香港要務實地生存,應把民主與社會政治分成兩個系統,不能因為沒有民主而拖垮社會經濟。這是多少學者、科學家的心底想法,最後真理,或許要靠他們自己來一場政治辯論。
信心與焦慮之間,香港在回歸以後,不能再只追問好與不好,而是如何在轉變中創造自己的優勢,就如把小鳥昆蟲的拍翼理論投放到無人機上,在微小裏是可以成就大處的。香港人的大格局,不止於中國,是世界。
記者:冼麗婷
攝影:馬泉崇