小型无人机革命即将到来——科学家需要确保它的安全性
无人机可以帮助城市实现净零排放计划。然而，需要有效的监管来减轻任何潜在的危害。图片来源：VCG via Getty
明年，小型无人机在送货方面的使用将大幅增加。值得注意的是，中国计划到 2025 年底将低空经济（包括无人机、垂直起降飞机和其他通用航空部件）的规模扩大到 1.5 万亿元人民币（2070 亿美元），以保持其在这些技术领域的领先地位。
公众已经习惯了新技术进入他们的生活——人工智能 (AI) 已经很普遍，自动驾驶出租车在中国、美国和其他国家的一些城市的街道上行驶。然而，尚不清楚公众是否准备好每天与天空中成千上万甚至数百万架无人机相遇——它们会产生噪音、可能发生碰撞，还会干扰我们的花园和窗户。
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目前对此的研究很少，现有的法规也不够完善。作为一名航空工程师，我对立即释放如此多的无人机感到担忧，因为这可能会带来意想不到的后果。学术界、工业界和政府之间的合作对于确保这项技术安全有效、不危险至关重要。
无人机（又称无人驾驶飞行器或飞行机器人）已在许多领域证明了其价值，包括消防、地震研究、病毒监测的空气采样、野生动物保护等。实现零排放运输、按需配送和“智慧”城市的举措预计将有大量小型无人机（重量不超过 25 公斤）沿着离地面 1,000 米的空中走廊运送货物。
快速增长的市场
物流业是投资这一愿景的主要行业。在中国，正在探索两种关键用途。用无人机将外卖食品和药品直接运送给客户，这比在拥挤的城市通过公路运送更快。在区域物流枢纽之间飞行更大的货运无人机，可以增强快递服务并支持近乎即时的零售。此外，通过减少道路上的卡车数量，无人机送货可能会将每公里的碳排放量减少多达 90%（参见 go.nature.com/3bxvpxy）。
过去几年，全球范围内的无人机飞行量迅速增长（见“商用无人机市场”）。2021 年至 2022 年间，全球范围内无人机辅助包裹递送量增长了 80%，达到 875,000 件（见go.nature.com/4gwcf5t）。2021年，《经济学人》预测，到 2025 年，将商用无人机用于工业和娱乐（不包括军事）目的的全球经济效益将超过 420 亿美元（见go.nature.com/4fomdd4）。
资料来源：X. Huang 分析
仅中国就已接近这一预测——截至2023年底，中国商用无人机市场规模超过1170亿元，低空经济（包括硬件、软件、服务、基础设施、枢纽和机场）规模超过5000亿元。据此，我们预测到2025年商用无人机市场规模将超过4000亿元。目前，商用无人机行业70%以上的供应链源自中国。在中国领先的创新城市深圳，2024年上半年完成了22.5万次商用无人机送货，预计2025年将达到150万次低空货运飞行。全球最大的无人机送货公司Zipline在过去十年中在四大洲完成了130多万次送货。
公众关注
今年，中国计划开通数百条新的无人机商业航线，因此，将无人机安全整合到现有智慧城市系统的有效法规不容忽视。科学家必须关注四个关键问题。
安全。避免伤害是每一位航空工程师的首要关注点——一次致命事故可能会导致整个飞机系列退役。然而，对于无人机相互碰撞或与建筑物碰撞带来的潜在危险，以及对城市地区行人的潜在威胁，现实评估太少了。
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与汽车碰撞测试类似，科学家应该开发无人机碰撞测试来模拟一系列事故场景，使用地面上的假人模型来评估无人机从空中坠落事故的潜在严重程度。
无人机充电站通常位于摩天大楼的顶部，其防火安全需要评估，并制定标准和法规。飞机发动机吞噬小型无人机的风险也需要评估——鸟击测试和法规应该涵盖这一点。
安全。民用机场和其他敏感地点（如国家设施）必须受到保护，以免遭到恶意无人机入侵。例如，去年 9 月，中国天津滨海国际机场上空出现无人机，导致机场连续两晚关闭；数十架航班延误或取消，3,000 名乘客受到影响。上个月，美国军事基地上空出现无人机也引发担忧。
非法无人机带来的威胁，无论是恶作剧者、敌对分子还是恐怖分子所为，都需要强有力的对策。这些措施包括地理围栏，即制造商预先对无人机进行编程，以避免其侵占指定区域，以及地理禁锢，即限制商用无人机在预定的路线上飞行。然而，将这些技术有效地整合到飞行运营和管理系统中需要进一步研究。
一箱箱脆李子通过无人机运送到中国重庆巫山机场。图片来源：张旭/中新社/VCG via Getty
其他更具前瞻性的选择包括使用无人机反射的 5G 手机信号来探测低空的小型移动目标——使用类似声纳的技术（D. Solomitckii等 人，IEEE Commun . Mag . 56，43–50；2018）。在敏感区域附近的 5G 基站上实施这项技术可以识别未经授权的无人机。技术挑战包括获取大量计算能力和信号处理能力。
隐私。无人机配备了各种传感器，如超声波、激光雷达、麦克风和摄像头，这些传感器都可能侵犯人们的隐私。想象一下，如果无人机经常飞过高层建筑的窗户，住在高层建筑中的人们会感到多么不安。
因此，从一开始就将隐私考虑纳入无人机的设计和操作中至关重要，以补充现有的隐私法和飞行法规。例如，工程师可以尝试在摄像头中内置技术，自动删除指定地理围栏区域外个人的视频片段，从而增强隐私保护。
可持续性。低空经济尚不环保，尽管无人机在碳排放方面对环境的威胁通常小于传统民用飞机。
噪音仍然是将无人机融入日常生活的一大障碍。例如，我和我的同事进行的测量表明，一架典型的小型无人机在 7 米高空飞行时发出的噪音与房间里吸尘器发出的噪音相似（见go.nature.com/4fo1wvm）。想象一下，如果数百台嗡嗡作响的吸尘器日夜在你窗外飞行，你会多么恼火。
持续暴露在噪音中会对人类的心理健康和鸟类的生长和健康产生负面影响。为了解决这个问题，去年 1 月，国际标准化组织推出了一项新的无人机噪音测试标准 (ISO 5305:2024)。这项倡议由航空航天科学家牵头，由香港科技大学的张欣领导。（XH 是小组成员。）
科学家与运营和管理部门合作，为无人机开发低噪音设计和噪音感知空中交通管理系统至关重要。一个有希望的方向是使用生成式人工智能优化无人机在城市环境中的路线。
平衡监管
这些只是无人机辅助低空经济面临的四个迫在眉睫的挑战。因此，我们应该欢迎中国打算成立一个专门的政府机构，专门负责确定该领域的迫在眉睫的问题、协调合作并资助针对这些挑战的科学研究的消息。
然而，同样重要的是不要对该行业进行过度监管，因为过多的规则可能会扼杀创新。科学家、工程师、政策制定者和公众必须共同努力，在机遇和潜在违规行为之间取得平衡，同时不断适应技术进步。
中国在技术和基础设施建设方面的专业知识使该国具备在低空经济中大规模应用小型无人机的先机。世界其他国家必须密切关注这些发展，并汲取经验教训，以促进本国经济发展。
自然637, 29-30 (2025)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-04167-7
阅读报告全文，请访问欧米伽研究所的“未来知识库”
https://wx.zsxq.com/group/454854145828
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