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昆蟲非凡的技能特性幫助它們在空中世界中航行，其中包括所有的陣風、障礙和一般的不確定性。這樣的特質(zhì)也很難構(gòu)建到飛行機器人中--但麻省理工學院副教授陳宇峰(Kevin Yufeng Chen)已經(jīng)構(gòu)建了一個接近昆蟲敏捷性的系統(tǒng)。
這項技術(shù)可以提高空中機器人的表演能力，使它們能夠在狹窄的空間里操作，并能承受碰撞。
陳宇峰是電子工程與計算機科學系和電子學研究實驗室的成員，他開發(fā)的昆蟲大小的無人機具有較好的靈活性和彈性。這種空中機器人由一類新的軟性執(zhí)行器提供動力，使它們能夠經(jīng)受住現(xiàn)實世界飛行的物理苦難。陳宇峰希望這些機器人有朝一日能夠幫助人類，為農(nóng)作物授粉或在狹窄的空間內(nèi)進行機械檢查。
陳宇峰的研究成果本月出現(xiàn)在《IEEE Transactions on Robotics》雜志上。論文的合著者包括麻省理工學院博士生任志堅、哈佛大學博士生徐思怡和香港城市大學機器人學家Pakpong Chirarattananon。
通常情況下，無人機需要寬闊的空間，因為它們既不夠靈活，無法在狹小的空間內(nèi)航行，也不夠堅固，無法承受人群中的碰撞。“如果我們看看今天的大多數(shù)無人機，它們通常相當大，”陳宇峰說。“它們的大多數(shù)應用都涉及在戶外飛行。問題是：你能不能創(chuàng)造出昆蟲規(guī)模的機器人，可以在非常復雜、雜亂的空間里移動？”
陳宇峰認為，“制造小型空中機器人的挑戰(zhàn)是巨大的。” 小指大小的無人機需要的結(jié)構(gòu)與大型無人機有著本質(zhì)上的區(qū)別。大型無人機通常由電機驅(qū)動，但電機會隨著尺寸的縮小而失去效率。因此，陳宇峰說，對于昆蟲類機器人，“你需要尋找替代品”。
到目前為止，主要的替代方案是采用一種由壓電陶瓷材料構(gòu)建的小型剛性執(zhí)行器。雖然壓電陶瓷讓第一代小型機器人得以飛行，但它們相當脆弱。而當你要制造一個模仿昆蟲的機器人時，這是一個問題--覓食的大黃蜂大約每秒鐘都要承受一次碰撞。
陳宇峰設(shè)計了一種更有彈性的小型無人機，使用軟性的執(zhí)行器代替堅硬易碎的執(zhí)行器。軟執(zhí)行器由涂有碳納米管的薄橡膠圓柱體制成。當對碳納米管施加電壓時，它們會產(chǎn)生一種靜電，擠壓并拉長橡膠圓柱體。反復的伸長和收縮導致無人機的翅膀跳動--快速。
陳宇峰的執(zhí)行器每秒可以扇動近500次，使無人機具有昆蟲般的彈性。“你可以在它飛行時擊中它，它可以恢復，”陳宇峰說。“它還可以在空中做翻筋斗等攻擊性動作。”而且它的重量只有0.6克，大約相當于一只大黃蜂的質(zhì)量。這架無人機看起來有點像一盤帶著翅膀的小磁帶，不過陳宇峰正在研究一種形狀像蜻蜓的新原型機。
“用厘米級的機器人實現(xiàn)飛行總是令人印象深刻的壯舉，”康奈爾大學電氣和計算機工程助理教授法Farrell Helbling說，他沒有參與這項研究。“由于柔性執(zhí)行器固有的順應性，機器人可以安全地撞上障礙物，而不會大大抑制飛行。這一特點非常適合在雜亂的動態(tài)環(huán)境中飛行，對于任何數(shù)量的現(xiàn)實世界應用都可能非常有用。”
Helbling補充說，邁向這些應用的關(guān)鍵一步將是將機器人從有線電源中解脫出來，而目前執(zhí)行器的高工作電壓就需要這樣的電源。“我很高興看到作者將如何降低工作電壓，以便有朝一日能夠在現(xiàn)實世界的環(huán)境中實現(xiàn)無繩飛行。”
制造類似昆蟲的機器人可以提供一個了解昆蟲飛行的生物學和物理學的窗口，這是研究人員長期以來的一個探索途徑。陳宇峰的工作通過一種逆向工程來解決這些問題。“如果你想了解昆蟲如何飛行，建立一個規(guī)模的機器人模型是非常有指導意義的，”他說。“你可以擾動一些東西，看看它如何影響運動學或流體力的變化。這將幫助你理解那些東西是如何飛行的。”但陳宇峰的目標不僅僅是為昆蟲學教科書“添磚加瓦”。他的無人機還可以在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中發(fā)揮作用。
陳宇峰表示，他的迷你航空器可以對復雜的機械進行導航，以確保安全和功能。“想一想對渦輪發(fā)動機的檢查。你會希望一架無人機在(一個封閉的空間)里移動，用一個小相機來檢查渦輪板上的裂縫。”
其他潛在的應用包括農(nóng)作物的人工授粉或在災難后完成搜索和救援任務(wù)。“所有這些事情對于現(xiàn)有的大型機器人來說都是非常具有挑戰(zhàn)性的，”陳宇峰說。
(原標題：受昆蟲啟發(fā)的飛行機器人：科學家創(chuàng)造新一代小巧靈活的無人機)
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