如果你曾经把一只蚊子从你脸上拍走,结果它又回来了,你就知道昆虫在飞行中有惊人的灵活性和弹性。这些特征帮助它们在空中的世界中导航,在空中有大风、障碍物和普遍的不确定性。这种特性也很难植入飞行机器人,但麻省理工学院助理教授陈宇峰(Kevin Yufeng Chen)已经建立了一个系统,可以接近昆虫的敏捷性。


​研究人员推出了新一代的迷你无人机,能够敏捷的处理问题


陈是电气工程与计算机科学系和电子研究实验室的成员,他开发出了昆虫大小的无人机,拥有前所未有的灵巧性和弹性。空中机器人由一种新型的软驱动器提供动力,这使得它们能够承受真实世界飞行的物理痛苦。陈希望这些机器人有一天可以帮助人类为农作物授粉,或者在狭窄的空间执行机器检查。


陈的研究发表在这个月的《IEEE机器人学报》上。他的合著者包括麻省理工学院博士生任志坚、哈佛大学博士生徐思义和香港城市大学机器人专家Pakpong Chirarattananon。


通常情况下,无人机需要广阔的开放空间,因为它们既不能灵活地在狭窄的空间中导航,也不够结实,无法在人群中承受碰撞。“如果我们看看今天的大多数无人机,它们通常都很大,”陈说。它们的大多数应用都涉及到户外飞行。问题是:你能创造出昆虫大小的机器人,可以在非常复杂、杂乱的空间里移动吗?”


陈说:“制造小型空中机器人的挑战是巨大的。”小型无人机的结构与大型无人机完全不同。大型无人机通常由电机提供动力,但当你缩小它们时,电机就会失去效率。因此,陈说,对于类昆虫机器人,“你需要寻找替代品。”


到目前为止,主要的替代方案是使用一种由压电陶瓷材料制成的小型刚性驱动器。虽然压电陶瓷让第一代微型机器人得以飞行,但它们相当脆弱。这是一个问题,当你建造一个模仿昆虫觅食的机器人时,大黄蜂大约每秒钟忍受一次碰撞。


陈设计了一种更有弹性的微型无人机,使用的是软驱动器,而不是硬的、易碎的驱动器。软驱动器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆柱体制成。当对碳纳米管施加电压时,它们会产生静电力,挤压并拉长橡胶圆柱体。反复的伸长和收缩使无人机的翅膀快速拍打。


陈的致动器可以每秒拍打近500次,赋予无人机类似昆虫的弹性。“你可以在它飞行时击中它,它也可以复原,”陈晨说。“它还可以做一些具有攻击性的动作,比如在空中翻筋斗。”它的重量只有0。6克,大约是一只大黄蜂的质量。这架无人机看起来有点像带翅膀的小卡带,不过陈正在研制一种外形像蜻蜓的新型原型机。


“用厘米大小的机器人实现飞行一直是一项令人印象深刻的壮举,”康奈尔大学电子与计算机工程助理教授法雷尔·何布林(Farrell Helbling)说,他没有参与这项研究。“由于软驱动器的固有顺从性,机器人可以安全地撞上障碍物,而不会对飞行产生很大的抑制。这一功能非常适合在混乱、动态的环境中飞行,对任何现实世界的应用程序都非常有用。”


何浦林补充说,实现这些应用的关键一步将是解除机器人与有线电源的束缚,这是目前执行器的高工作电压所需要的。“我很兴奋地看到,作者们将如何降低操作电压,以便有朝一日能够实现在现实环境中的无绳飞行。”


建造类似昆虫的机器人可以为研究昆虫飞行的生物学和物理学提供一个窗口,这是研究人员长期探索的途径。陈的工作通过一种逆向工程来解决这些问题。他说:“如果你想了解昆虫是如何飞行的,建立一个比例机器人模型是非常有意义的。”“你可以干扰一些东西,看看它如何影响运动学或流体力如何变化。这将帮助你理解那些东西是怎么飞的。”但陈的目标不只是增加昆虫学教科书的内容。他的无人机也可以用于工业和农业。


陈说,他的迷你空中飞人可以操纵复杂的机器,以确保安全和功能。“想想对涡轮发动机的检查。你会希望无人机带着一个小摄像头在(一个封闭的空间)四处移动,检查涡轮板上的裂缝。”


其他潜在的应用包括作物的人工授粉或完成灾难后的搜索和救援任务。“所有这些对现有的大型机器人来说都是非常具有挑战性的,”陈说。有时候,越大并不代表越好。

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