無人機結合編程、定位、鏡頭、AI、大數據、配件等,未來可以有更大發展,值得學習。(Shutterstock)

 只要多了解無人機科技的不同類型和發展,保持開放的想像,注意編程技術組合的可能性,以及利用一些現成或自創作配件、工具,現代美術創科教材——STEAM,不難設計。

作者﹕林桂光 (2020年8月22日於《灼見名家》發表)

無人機科技的應用

提起無人機,讀者直接的反應可能會聯想到軍事用途,特別是近來世界政局動盪,有很多某某國利用無人機高空刺探敵情的新聞,甚至可以發射「斬首式導彈」。無人機科技最初的確很主要是在軍事應用的研發,將來更有可能朝向太空發展。

現在的無人機,當然不是傳統的玩具遙控飛機。簡單定義可以說是一種無人駕駛飛機,英文縮寫為”UAV”,是Unmanned Aerial Vehicle的縮寫,照字面上翻譯就是「沒有人的空中交通工具」,也就是無人駕駛飛機;另一個叫法——Drone,也是同樣的意思。兩者通常泛指利用遙控設備或是自控程式裝置操縱的不載人飛行器。從技術角度定義可以分為:無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。按應用領域,可分為軍用、民用或商用。

軍用方面,可分為偵察機、標靶機和攻擊機。

在民用方面,因為技術應用和大小不同種類趨多,現在各大領域都能看到無人機的身影。最常見有農業植保、環保檢測、電力巡檢、交通監視。過去大半年的全球疫情,也看到不少國家利用「無人機」進行街景巡察、隔離監控等(甚至有人用來溜狗)。在新聞上還讀到一間拉脫維亞的Aerones科技公司組裝38個螺旋槳帶動的無人機,通過電纜直接供電,飛350米高替玻璃幕牆建築清潔,在設計上還可以配備噴槍,給風力發電機除雪,除冰。

在無人機的商用開發上,除了幾年前各大網購企業如亞馬遜、阿里巴巴的遠程物流「到戶派送」試驗外,另一個開始火熱的應用方案應該是——「無人駕駛『飛的』,Flying Taxi」即一種城市空中交通——Urban Air Mobility(UAM)的市場。這方面目前美國Google和Uber 共同研發的”e-VTOLs”、德國的”Volocopter 2X”、中國的「億航216」、日本豐田的”Vahana”等都是比較成熟的「空中的士」原型,部分已有限度投入服務。

隨着無人機技術還在不斷完善,應用領域及範圍還在不斷拓寬。幾年前波音公司旗下Insito公司開發一款採用燃油動力的固定翼無人機——掃描鷹,搭載紅外綫與光學鏡頭,能從一公里外發現A4紙張大小的火頭。掃描鷹同時能結合大數據對火勢進行檢測,事前通報,應對大火。

另外,據科技商業媒體Fast Company報道,中國武漢大學、中華世界文化遺產保護基金合作,曾合作以Intel製造的獵鷹8+無人機代替人力巡視萬里長城牆身狀況,近距離從空中拍攝1萬張以上的高解像度照片,通過AI分析,得出需要修復的位置,然後再由人手進行修復工作,大大縮短了檢查長城損壞狀況的工作時間。無人機更加能夠深入人員難以抵達的區域,顯示有更多的商業應用價值,例如日後可以用於工業場地的檢查,或者檢修橋樑、煉油廠、高壓電塔等人力難以輕易到達的場地。

在光學技術結合無人機科技特性的應用上,香港大學一個研究團隊和美國科學發展基金會合作,花約兩年時間,成功研發結合鐳射誘導熒光技術及飛行技術的自動無人機系統鐳射盜龍。系統配備GPS定位系統、測高儀、光學雷達、閃光燈等,在日間設定好飛行路線後,無人機會按指定路線、穩定與地面保持4米距離巡航,地氈式搜索尋找熒光物體。去年成功在野外偵測暴露在地面上的化石,更可應用於探索地球以外星球的地貌。

大家可以看出,無人機結合編程、定位、鏡頭、AI、大數據、配件等,未來可以有更大發展,值得學習。

無人機教育

無人機科技學習在創客或STEM教育一向不算熱門,初期主要聚焦在不同機種的結構和操控學習。在民用和商用市場,多涉及大型無人機,所以有些培訓課程,會以專業操控能力認證的考核為賣點;甚至後來市場出現很多小型/超小型的機種,可以讓中小學生掌控,市場仍保留不少操控等級考試的課程。目前內地若干航空航太大學及一些高等職業教育也有設立無人駕駛航空器系統工程科系,或無人機應用技術專業,重點放在科學研究與管理層面上,以培育綜合型人才。

當無人機開始切入各階段學校範疇後,在推動硬件消費和提高升學優勢的目標下,慢慢出現比較活躍的銷售及教育市場,背後主要是靠不同的無人機競賽去促銷。2017年香港已出現17歲「FPV 穿越機」女機手,準備「飛」入職業國際賽的報導。2018年阿里體育 WESG 香港電競節,也同場首設國際無人機挑戰賽,分為邀請賽及公開賽,開始吸引中小學校關注,有大學也成立競賽機團隊,打出名堂。例如香港大學機械工程系團隊參加2019年第23屆美國航空航太研究所(AIAA)飛機設計、製造及飛行比賽,在全球104支參賽隊伍中排第13名,於東南亞參賽團隊中居首位。

要擴大銷售及教育市場,除用比賽推動外,還要優化多元學習課程。其中一個方向是將無人機和編程學習結合,因機種眾多,這方面可以開始小學、中學、大學的階梯式課程。內地有創客企業去年發佈編程無人機,著力中小學STEAM教育,打造教育無人機搭建和創意實現平台。其中幾款程式設計積木無人機產品,面向8-16歲中小學生培養邏輯思維,學習跨學科的解決問題能力。也有培訓機構逆向規劃,進出低成本、自主設計式《筷子無人機》精品課程,讓學生用最簡單物料,按基本結構及以相關電子配件去創作程式控制無人機。

低成本、低技術及硬體設定、跨學科創意綜合學習,是筆者設計校本STEM+課程的基本原則。去年有機構邀請合作為一個中小學校際無人機活動,加強教育元素設計相應的主題學習課程。當時讀到英國公開大學公佈《2019創新教學報告》,無人機學習(Drone-based Learning)竟然是該年十大創新教學的第四位,可見關注創新教育的學者和老師,看到無人機教育在STEM+ 教育的多元可塑性。後來利用個人探究STEM+教育課程規劃的總結模式——「H2+」課程規劃與教學設計方案,用設計思維(Design Thinking)為學習策略,以無人機科技的硬體特質及技術學習為基礎 (Drone+ Education),引導不同科目教師,圍繞STEM+學習共同主題,思考各自的科本及創意教學目標,進行跨學科專題研習。當然,最後的校際無人機比試,也是多元核心素養建構以外的另一類學習成果(Learning Outcome)。(可參考:〈玩具、工具、教具的STEM+ 學習延伸〉〈「H2+」課程規劃與教學設計總結〉兩條連結,及www.ace-ae.org 網頁)

無人機科技賦能現代美術教育

由無人機初期的技術研發,航拍已是基本配置和優化方向。航拍技術是圖像獲取一種重要的手段,擁有受天氣影響小,方便靈活,可以迅速完成起降,且拍攝成像清晰、可以到達許多狹小的地方等優勢特點。拍攝功能除了是是文首論及的軍用及民用場景外,在社會生活也有很廣泛的應用,當中和攝影視藝媒介的表現和創作關係密切。例如一般廣告製作、影視節目攝制、家庭自娛記錄等。用在美術教育的場景,也可以作為專題研習的工具技術,甚至作為一種某種創作主題的表現媒介,例如短片、電影創作,以及創意自拍等。

三年前在網上便看到售賣一款千元以下、手掌大少的自動飛行照相機——SELFLY,能追蹤人臉拍攝,並可以進行全景拍攝,製作VR片段。今年見到另一款稍大型的DroneX Pro,配有頂級高清攝像頭,控制器的穩定性和流暢性更好。可進行自拍、錄製視頻,以至專注於拍攝自然風景、朋友和家人的高清美圖,可從手機拍照無法達到的角度拍攝照片,用它來進行「終極自拍」。個人多次呼籲,在圖像時代,宜重新重視影像創作的技術和表現,加強傳統攝影媒介的學習。無人機自拍,更可成為一種輔助性創新技術,讓現代美術教育,融入科技世界。

我們現時也可以看到,通過高能的程式控制網絡,可以同時編輯上百、上千的無人機飛行軌跡,便可以創作千機共舞、千軸共畫的藝術場景。去年初在深圳一個大型晚會上千架無人機在空中組合成圖文字樣,並跟隨舞曲變換,自由切換圖案。在室內表演中,一台電腦控制精準定位,上百球形無人機隨演員翩然起舞,搭載花瓣,並適時配合演員拋出「天女散花」,上演多媒體動感藝術創作。同年9月中至10月中,再上演一場千機並飛的國慶70周年紀念特別版燈光秀。可見這種無人機編程燈光匯演,技術和創意漸趨成熟。去年看到幾個熱爆內地網絡的無人機燈光秀視頻,其一是黑龍江省哈爾濱工業大學一百周年校慶,製作了由幾組千翼無人機同時協作表演;另一個是央視攝製的戶外軍方主題無人機燈光匯演,也是有幾組千機程式控制,但每組已可徐徐自行做圖形變身(地面現場配有真人指揮,但不知道是否有實時命令識別的功能)。

從這些無人機科技,去探索現代美術教育的融合,做技術轉移試驗是一個方向。例如無人機接上燈光+圖案編程+速度調控,再反過來用數碼相機做光塗鴉創作拍攝,會否有不一樣效果。又例如上文提及連接電纜和配備噴槍的幕牆清潔,假如轉換為顏料導管,可以嘗試幕牆繪畫。將無人機接上畫筆,一如上期介紹機械人科技文稿,通過圖像編程,也可以創作新派畫風。

所以只要多了解無人機科技的不同類型和發展,保持開放的想像,注意編程技術組合的可能性,以及利用一些現成或自創作配件、工具,現代美術創科教材——STEAM,不難設計。

亞太創藝談之16

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