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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(fēng)、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(xué)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(xué)系和電子學(xué)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(xué)院博士生任志堅、哈佛大學(xué)博士生徐思怡和香港城市大學(xué)機器人學(xué)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(dāng)大，”陳宇峰說。“它們的大多數(shù)應(yīng)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(fù)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(dāng)脆弱。而當(dāng)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(dāng)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(fù)的伸長和收縮導(dǎo)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(fù)，”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(dāng)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(xué)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(yīng)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(yīng)用都可能非常有用。”
Helbling補充說，邁向這些應(yīng)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(xué)和物理學(xué)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(dǎo)意義的，”他說。“你可以擾動一些東西，看看它如何影響運動學(xué)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(biāo)不僅僅是為昆蟲學(xué)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(fù)雜的機械進行導(dǎo)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(yīng)用包括農(nóng)作物的人工授粉或在災(zāi)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(biāo)題：受昆蟲啟發(fā)的飛行機器人：科學(xué)家創(chuàng)造新一代小巧靈活的無人機)
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