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嗡嗡嗡的不只有蚊子,還可能是機器人!

|·?本文來自“我是科學家”·|

夏天到了,蚊蟲們的嗡嗡聲又不時回響在大家的耳邊,一不留神身上就會多幾個大包,許多人甚至聽到它們的聲音都會渾身發癢。然而,在大洋彼岸的一個實驗室中,一群研究者卻在努力制造嗡嗡聲,他們在設計一種微型機器人——以昆蟲為靈感的撲翼式飛行器。

這種機器人屬于仿生機器人。仿生機器人是一個非常前沿、熱門的研究領域。自然界中一切能夠運動的生命體,比如飛鳥、游魚甚至昆蟲、真菌,都能為研究者們提供靈感。而模仿昆蟲的撲翼式飛行器具有體積小、飛行靈活、低速安靜等特點,可以輕易完成狹窄空間、復雜地形的穿越與導航,在遙感測繪、災難救援等多種場合都有著廣泛的應用前景,因此也受到極高的關注。

哈佛大學的WYSS研究院是一間專注于生物交叉技術的研究機構,其中的微型機器人實驗室專注于仿生機器人的開發。早年間,他們研發了名為RoboBees的微型撲翼式飛行器[1],其翼展僅為3cm,重量80mg,能夠像昆蟲一樣靈活地飛舞。

靈活的RoboBees | 圖片來源:參考文獻[1]

為了制造適合微型撲翼飛行器的驅動結構,研究者們提出了一種創新的結構與加工方法,“智能復合材料微結構(Smart Composite Microstructures,SCM)”。通過在SCM中加入壓電材料,電能可以直接作用于撲翼結構使其產生運動,這樣制作的飛行器尺寸要比傳統電機驅動的飛行器更加緊湊,推力效率也更高。

從圖中可以清楚地看到,早期的RoboBees用的是一種有纜飛行技術,通過外接的電纜給飛行器供能。這種技術的缺陷也很明顯:飛行器移動的空間被電纜限制,無法發揮出最大的功能優勢。

對于微型飛行器來說,電池技術是個難關——如果想要RoboBees進行無纜飛行,使用的鋰離子電池可能會比飛行器本身重好幾倍;如果使用太陽能板供能,則需要5-7倍的太陽光光強才能讓飛行器持續正常飛行??傊?,突破自供能的無纜飛行始終是一個巨大的挑戰。

因此,微型飛行器目前最主要的研究方向就是供能方式的革新以及能量利用效率的提升。在去年的機器人與自動化國際會議(ICRA)上,華盛頓大學的研究員就發表了一項供能方式上的創新[2]:通過激光照射微型飛行器上的光電轉換板,就可以高效地為其供電。當然,這種方式也存在很大的缺陷:激光光源必須實時追蹤飛行器才能為其供電,而這在實際使用場景中基本是無法做到的。就目前而言,這項技術僅能用于飛行器的起飛,而無法用于持續飛行。

通過激光為飛行器供能 | 圖片來源:參考文獻[2]

本周,WYSS研究院研發的一個新的微型仿生機器人RoboBee X-Wing登上《自然》封面[3]。他們選擇了更為艱難的道路:提升能量的利用效率。研究者稱,RoboBee X-Wing是迄今為止最輕的、能夠實現無纜飛行的昆蟲級飛行器。

登上《自然》封面的RoboBee X-Wing | 圖片來源:參考文獻[3]

作為RoboBees的改進型,RoboBee X-Wing一個明顯的變化,就是采用了四翼結構以增加升力。主體結構翼展3.5cm,自重90mg,與原版相比增加不多,但是峰值推力可以達到370mg。結合一些驅動電路、波形等等其他方面的優化,其推力效率已經基本和同體積的昆蟲相當。

RoboBee X-Wing具有四翼結構 | 圖片來源:參考文獻[3]

通過搭載一枚60mg的太陽能板以及100mg的驅動電路板,總重259mg的RoboBee X-Wing可以在3倍太陽光強的實驗條件下進行持續的飛行,并且還能提供少量載荷用于搭載其他設備。此外,他們的仿真結果顯示,如果將飛行器的體積放大至現在的1.26倍,則其飛行需要的光強僅需1.5倍太陽光強。

RoboBee X-Wing主體結構;加裝太陽能板與驅動電路 | 圖片來源:參考文獻[3]

不過研究者也承認,這項工作距離真正的實用化飛行器仍然有一段距離。RoboBee X-Wing看似距離室外飛行只差臨門一腳,但是實際上還需要大量的優化甚至關鍵技術的革新,才能夠攻克這最后的壁壘。

然而不積跬步,無以至千里;正是這一點一滴的技術進步,才讓今天的人類能夠享受到各種高科技帶來的便利。隨著電池技術、微電子技術的不斷進步,能夠受控飛行的微型機器人也許指日可待了。(編輯:Yuki)

參考文獻:

  1. Ma K Y, Chirarattananon P, Fuller S B, et al. Controlled flight of a biologically inspired, insect-scale robot[J]. Science, 2013, 340(6132): 603-607.
  2. James J, Iyer V, Chukewad Y, et al. Liftoff of a 190 mg laser-powered aerial vehicle: The lightest wireless robot to fly[C]//2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2018: 1-8.
  3. Noah T. Jafferis, E. Farrell Helbling, Michael Karpelson & Robert J. Wood. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature 570, 491–495 (2019)

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發布于2019-06-28, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼。

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清華美院設計學博士畢業中。清華大學未來實驗室機器人駕駛員No.002。

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