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    嗡嗡嗡的不只有蚊子,还可能是机器人!

    2019-06-28  lindan9997
    莔莔 发表于  今天14:55

    |· 本文来自“我是科学家”·|

    夏天到了,蚊虫们的嗡嗡声又不时回响在大家的耳边,一不留神身上就会多几个大包,许多人甚至听到它们的声音都会浑身发痒。然而,在大洋彼岸的一个实验室中,一群研究者却在努力制造嗡嗡声,他们在设计一种微型机器人——以昆虫为灵感的扑翼式飞行器。

    这种机器人属于仿生机器人。仿生机器人是一个非常前沿、热门的研究领域。自然界中一切能够运动的生命体,比如飞鸟、游鱼甚至昆虫、真菌,都能为研究者们提供灵感。而模仿昆虫的扑翼式飞行器具有体积小、飞行灵活、低速安静等特点,可以轻易完成狭窄空间、复杂地形的穿越与导航,在遥感测绘、灾难救援等多种场合都有着广泛的应用前景,因此也受到极高的关注。

    哈佛大学的WYSS研究院是一间专注于生物交叉技术的研究机构,其中的微型机器人实验室专注于仿生机器人的开发。早年间,他们研发了名为RoboBees的微型扑翼式飞行器[1],其翼展仅为3cm,重量80mg,能够像昆虫一样灵活地飞舞。

    灵活的RoboBees | 图片来源:参考文献[1]

    为了制造适合微型扑翼飞行器的驱动结构,研究者们提出了一种创新的结构与加工方法,“智能复合材料微结构(Smart Composite Microstructures,SCM)”。通过在SCM中加入压电材料,电能可以直接作用于扑翼结构使其产生运动,这样制作的飞行器尺寸要比传统电机驱动的飞行器更加紧凑,推力效率也更高。

    从图中可以清楚地看到,早期的RoboBees用的是一种有缆飞行技术,通过外接的电缆给飞行器供能。这种技术的缺陷也很明显:飞行器移动的空间被电缆限制,无法发挥出最大的功能优势。

    对于微型飞行器来说,电池技术是个难关——如果想要RoboBees进行无缆飞行,使用的锂离子电池可能会比飞行器本身重好几倍;如果使用太阳能板供能,则需要5-7倍的太阳光光强才能让飞行器持续正常飞行。总之,突破自供能的无缆飞行始终是一个巨大的挑战。

    因此,微型飞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。在去年的机器人与自动化国际会议(ICRA)上,华盛顿大学的研究员就发表了一项供能方式上的创新[2]:通过激光照射微型飞行器上的光电转换板,就可以高效地为其供电。当然,这种方式也存在很大的缺陷:激光光源必须实时追踪飞行器才能为其供电,而这在实际使用场景中基本是无法做到的。就目前而言,这项技术仅能用于飞行器的起飞,而无法用于持续飞行。

    通过激光为飞行器供能 | 图片来源:参考文献[2]

    本周,WYSS研究院研发的一个新的微型仿生机器人RoboBee X-Wing登上《自然》封面[3]。他们选择了更为艰难的道路:提升能量的利用效率。研究者称,RoboBee X-Wing是迄今为止最轻的、能够实现无缆飞行的昆虫级飞行器。

    登上《自然》封面的RoboBee X-Wing | 图片来源:参考文献[3]

    作为RoboBees的改进型,RoboBee X-Wing一个明显的变化,就是采用了四翼结构以增加升力。主体结构翼展3.5cm,自重90mg,与原版相比增加不多,但是峰值推力可以达到370mg。结合一些驱动电路、波形等等其他方面的优化,其推力效率已经基本和同体积的昆虫相当。

    RoboBee X-Wing具有四翼结构 | 图片来源:参考文献[3]

    通过搭载一枚60mg的太阳能板以及100mg的驱动电路板,总重259mg的RoboBee X-Wing可以在3倍太阳光强的实验条件下进行持续的飞行,并且还能提供少量载荷用于搭载其他设备。此外,他们的仿真结果显示,如果将飞行器的体积放大至现在的1.26倍,则其飞行需要的光强仅需1.5倍太阳光强。

    RoboBee X-Wing主体结构;加装太阳能板与驱动电路 | 图片来源:参考文献[3]

    不过研究者也承认,这项工作距离真正的实用化飞行器仍然有一段距离。RoboBee X-Wing看似距离室外飞行只差临门一脚,但是实际上还需要大量的优化甚至关键技术的革新,才能够攻克这最后的壁垒。

    然而不积跬步,无以至千里;正是这一点一滴的技术进步,才让今天的人类能够享受到各种高科技带来的便利。随着电池技术、微电子技术的不断进步,能够受控飞行的微型机器人也许指日可待了。(编辑:Yuki)

    参考文献:

    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)

    作者名片

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