麻省理工學(xué)院(MIT)助理教授Yufeng Chen近期發(fā)表了一篇“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)的論文，該無(wú)人機(jī)長(zhǎng)、寬都僅有幾厘米，質(zhì)量小于1克，在飛行中發(fā)生碰撞、翻滾也能迅速恢復(fù)飛行。
該論文名為《具有高度敏捷性的抗碰撞昆蟲(chóng)級(jí)軟驅(qū)動(dòng)空中機(jī)器人(Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility)》，發(fā)表于IEEE Transactions on Robotics。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9357346
一、模仿昆蟲(chóng)，做常規(guī)無(wú)人機(jī)做不到的事
蒼蠅、蚊子等昆蟲(chóng)可能是人們最討厭的昆蟲(chóng)，因?yàn)檫@些昆蟲(chóng)不僅敏捷，還具備彈性。這種特性使它們可以在狂風(fēng)、多障礙物等復(fù)雜情況下快速飛行，即使遭遇撞擊也可以很快恢復(fù)。
通常來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)并不具備這樣的特性，其飛行過(guò)程中需要寬闊的空間，并避免撞擊。
但是Yufeng Chen和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)無(wú)懼碰撞，可以在復(fù)雜、混亂的空間中移動(dòng)。據(jù)悉，該無(wú)人機(jī)具備前所未有的靈巧和彈性，即使飛行中被擊中也可以在0.16秒內(nèi)翻身恢復(fù)，翻筋斗等高難度動(dòng)作也不在話下。
這種“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、搜救等多個(gè)領(lǐng)域都很有幫助。
如密閉發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部檢查、人工授粉和進(jìn)入狹窄空間搜救等任務(wù)都可以由這種無(wú)人機(jī)完成，而現(xiàn)有的常規(guī)無(wú)人機(jī)則很難完成這些任務(wù)。
Yufeng Chen稱，有時(shí)候無(wú)人機(jī)尺寸并非越大越好。
康奈爾大學(xué)的助理教授Farrell Helbling認(rèn)為，“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)令人印象深刻的壯舉，飛行中該無(wú)人機(jī)無(wú)懼碰撞更是大大擴(kuò)展了其實(shí)際用途。
二、重量?jī)H6克，形似小磁帶盒
Yufeng Chen及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這款新型“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)的質(zhì)量?jī)H有0.6克，大約和一只大黃蜂差不多重。其形狀看起來(lái)有點(diǎn)像帶翅膀的小磁帶盒。
雖然“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)的樣子有點(diǎn)名不副實(shí)，但是這種無(wú)人機(jī)為研究昆蟲(chóng)飛行的生物和物理科學(xué)家提供了一種新的研究途徑。
研究昆蟲(chóng)飛行的科研人員可以改變一些無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)參數(shù)，并通過(guò)觀察無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何變化，更加深入的了解昆蟲(chóng)飛行原理。
由于接近昆蟲(chóng)大小的無(wú)人機(jī)與大型無(wú)人機(jī)構(gòu)造截然不同，Yufeng Chen及其團(tuán)隊(duì)已多年探索如何解決微型無(wú)人機(jī)研發(fā)方面的挑戰(zhàn)。
三、采用新致動(dòng)器，每秒可扇近500次翅膀
早在2019年，這一研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于微型無(wú)人機(jī)的論文已經(jīng)登上頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》。過(guò)去兩年，研究團(tuán)隊(duì)為了使無(wú)人機(jī)更耐擊打而設(shè)計(jì)更加優(yōu)化的方案，使得新一代無(wú)人機(jī)在功率密度等性能方面有了顯著的提升。
大型無(wú)人機(jī)通常使用電動(dòng)機(jī)為其提供動(dòng)力，但是對(duì)于“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，合適尺寸的電動(dòng)機(jī)卻很難提供足夠的動(dòng)力。
之前第一代微型無(wú)人機(jī)采用的是基于壓電陶瓷材料的剛性驅(qū)動(dòng)器，這種剛性驅(qū)動(dòng)器卻非常脆弱，無(wú)法像昆蟲(chóng)一般從碰撞中恢復(fù)繼續(xù)飛行，所以Yufeng Chen團(tuán)隊(duì)只能放棄這種方案。
Yufeng Chen為了解決碰撞問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型介電彈性體致動(dòng)器(DEA)。
這種彈性體致動(dòng)器由碳納米涂層包裹的薄橡膠圓筒制成，如果施加電壓到碳納米涂層，涂層就會(huì)產(chǎn)生靜電力，擠壓、拉長(zhǎng)橡膠筒，而反復(fù)的伸長(zhǎng)和收縮則使無(wú)人機(jī)機(jī)翼快速跳動(dòng)，其機(jī)翼每秒可拍動(dòng)近500次，產(chǎn)生升力。
Farrell Helbling認(rèn)為，該技術(shù)投入實(shí)用的下一步是使無(wú)人機(jī)擺脫電源線的束縛。
目前由于彈性體致動(dòng)器的工作電壓較高，只能連線提供電壓。如果Yufeng Chen團(tuán)隊(duì)能夠降低操作電壓，那“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)將實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中無(wú)繩自由飛行。
此外為了使無(wú)人機(jī)更像昆蟲(chóng)，Yufeng Chen正在研發(fā)一種蜻蜓形狀的原型機(jī)。
結(jié)語(yǔ)：“昆蟲(chóng)”靈感正啟發(fā)更多無(wú)人機(jī)創(chuàng)新
仿生無(wú)人機(jī)一直是無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的重要課題，德國(guó)費(fèi)斯托公司曾研發(fā)一種“仿生蝴蝶”無(wú)人機(jī)，能夠像蝴蝶一樣翩翩起舞，我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)也曾研制出“信鴿”無(wú)人機(jī)。
Yufeng Chen的無(wú)人機(jī)在該領(lǐng)域潛力巨大，隨著新材料與電源技術(shù)的改進(jìn)，“昆蟲(chóng)”無(wú)人機(jī)的性能仍有較大提升空間，其新型介電彈性體致動(dòng)器設(shè)計(jì)巧妙，為仿生無(wú)人機(jī)研究提供了新的思路。
