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機(jī)器人的技術(shù)正在不斷演進(jìn)，各種各樣有創(chuàng)意的新型應(yīng)用頻頻爆出。最近，研究人員在華盛頓大學(xué)取得了一項(xiàng)引人注目的突破，開(kāi)發(fā)了一種小型機(jī)器人設(shè)備，可以在半空中改變形狀，而無(wú)需使用電池。這項(xiàng)研究的成果于2023年9月13日在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上發(fā)表，讓我們一起來(lái)了解一下這一令人興奮的技術(shù)。
這些小型機(jī)器人被戲稱為“微型飛行器”，它們具有獨(dú)特的特性，使它們?cè)跈C(jī)器人領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，這些微型飛行器不需要電池來(lái)驅(qū)動(dòng)它們的運(yùn)動(dòng)，而是利用太陽(yáng)能和折紙技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空中形狀的變化和飛行控制。
每個(gè)微型飛行器都裝備了一個(gè)板載的無(wú)電池執(zhí)行器、太陽(yáng)能收集電路和控制器。這些關(guān)鍵組件允許機(jī)器人在半空中觸發(fā)形狀的變化，從而改變它們的飛行方式。具體來(lái)說(shuō)，它們使用了三浦折紙法，一種精妙的折疊技術(shù)，通過(guò)在下降過(guò)程中巧妙地“卡住”折疊位置，將自身從翻滾狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯酉陆档降孛娴臓顟B(tài)，同時(shí)在空中分散開(kāi)來(lái)。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于如何控制這些機(jī)器人的形狀變化和飛行。研究人員采用了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，包括機(jī)載壓力傳感器，用于估算高度，機(jī)載計(jì)時(shí)器以及藍(lán)牙信號(hào)。這些方法的組合使研究人員能夠精確地控制每個(gè)機(jī)器人的形狀變化和飛行路徑，從而實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。
微型飛行器的特性令人印象深刻。它們的重量?jī)H為400毫克，相當(dāng)于一個(gè)釘子的一半。然而，在微風(fēng)中從40米高空墜落時(shí)，它們能夠飛行相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)的距離。此外，這些機(jī)器人還攜帶了機(jī)載傳感器，用于測(cè)量飛行時(shí)的溫度、濕度和其他條件，為各種研究和任務(wù)提供了有用的數(shù)據(jù)。
這項(xiàng)研究的首席科學(xué)家之一，華盛頓大學(xué)保羅·G·艾倫計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授Vikram Iyer表示：“使用折紙技術(shù)為微型飛行器開(kāi)辟了新的設(shè)計(jì)思路。我們受到樹(shù)葉的幾何圖案啟發(fā)，將Miura-ori折疊技術(shù)與能量收集和微型執(zhí)行器相結(jié)合，使我們的飛行器能夠在半空中模仿不同類型的樹(shù)葉飛行方式。這種高度節(jié)能的方法使我們能夠在無(wú)需電池的情況下控制微型飛行器的下降，這在過(guò)去是不可能的。”
然而，這項(xiàng)技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。其中之一是確保機(jī)器人足夠堅(jiān)硬，以避免在發(fā)出信號(hào)之前意外轉(zhuǎn)變?yōu)檎郫B狀態(tài)。此外，這些機(jī)器人需要能夠在沒(méi)有電源的情況下改變形狀，這一需求得到了太陽(yáng)能收集電路的滿足。目前，這些微型飛行器只能單向轉(zhuǎn)換，從翻滾狀態(tài)到下落狀態(tài)。但研究人員表示，未來(lái)的設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換，從而在惡劣天氣條件下實(shí)現(xiàn)更加精確的著陸。
這項(xiàng)研究的合著者包括華盛頓大學(xué)和威斯康星大學(xué)的科學(xué)家和工程師，他們的合作取得了這一重要成果。此外，這項(xiàng)研究得到了多個(gè)資助機(jī)構(gòu)的支持，包括摩爾基金會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家GEM聯(lián)盟、谷歌獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃、Cadence獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃、華盛頓NASA太空撥款獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃和SPEEA ACE獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃。
這一研究的成功標(biāo)志著機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)步，為未來(lái)的無(wú)電池機(jī)器人和空中應(yīng)用提供了嶄新的思路，這些微型飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和高度節(jié)能的特性將為各種領(lǐng)域，包括科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)和救援任務(wù)。
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