MIT新一代類昆蟲無人機(jī) 能承受得住人為的碰撞

2021-03-04 15:13:25來源：51cto

仿生鳥類和昆蟲一直是無人機(jī)研究領(lǐng)域的重要課題，也出現(xiàn)了各式各樣的飛行機(jī)器人，如斯坦福學(xué)者制造的帶羽毛翅膀的「機(jī)器鴿」等。MIT 助理教授、前哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室博士后 Kevin Yufeng Chen 一直致力于制造類昆蟲機(jī)器人，并對(duì)他們實(shí)驗(yàn)室打造的史上最輕飛行機(jī)器人Robobee進(jìn)行了改進(jìn)。近日，他又發(fā)表研究介紹了兼具敏捷性和回彈性的新一代微型類昆蟲無人機(jī)，不僅可以在狹窄的空間中操作，還能承受得住人為的碰撞。

我們都知道，蚊子這種「惹人厭」的生物在飛行中具有極高的靈活性和復(fù)原能力。這些特性使得它們能夠在大風(fēng)、堆滿障礙物以及其他不確定的空中環(huán)境中順利地導(dǎo)航。遺憾的是，這些特性很難植入到微型飛行機(jī)器人中。

近日，MIT 電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)助理教授 Kevin Yufeng Chen 構(gòu)建了一種接近昆蟲敏捷度的系統(tǒng)，并開發(fā)了一個(gè)無可比擬敏捷型和回彈性的類昆蟲無人機(jī)(insect-sized drone)。

這款空中機(jī)器人由一種新型的軟致動(dòng)器賦能，使得它們能夠經(jīng)得起實(shí)際飛行中的物理碰撞等。Chen 希望未來這款無人機(jī)可以為農(nóng)作物授粉或者在狹小空間中執(zhí)行機(jī)械監(jiān)理任務(wù)，從而為人類提供幫助。相關(guān)研究發(fā)表在了 IEEE Transactions on Robotics 期刊上。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9357346/authors#authors

這款昆蟲大小的無人機(jī)具有哪些特性呢?

首先，無人機(jī)的致動(dòng)器由涂有碳納米管的薄橡膠圓筒制成，通電時(shí)碳納米管產(chǎn)生靜電力，擠壓和拉長橡膠圓筒。反復(fù)的伸縮使得無人機(jī)的翅膀快速煽動(dòng)，從而使其順利升空飛行。

眾多網(wǎng)友對(duì)這款類昆蟲無人機(jī)的評(píng)價(jià)甚高，認(rèn)為其將變革整個(gè)無人機(jī)行業(yè)!

通常情況下，無人機(jī)需要廣闊的空間，因?yàn)樗鼈兗炔荒莒`活地在狹窄空間中導(dǎo)航，也沒有足夠的魯棒性在擁擠的環(huán)境中承受碰撞。現(xiàn)今的無人機(jī)體積都很大，無人機(jī)大多數(shù)應(yīng)用都涉及到戶外飛行。但問題是：你能創(chuàng)造出昆蟲大小的無人機(jī)，并使其在非常復(fù)雜、雜亂的空間里飛行嗎?

Chen 表示，制造小型空中無人機(jī)的挑戰(zhàn)是巨大的。小型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與大型無人機(jī)完全不同。大型無人機(jī)通常由電機(jī)提供動(dòng)力，但當(dāng)你縮小它們時(shí)，電機(jī)就會(huì)失去效率。因此，對(duì)于類昆蟲無人機(jī)，你需要尋找替代品。

迄今為止，主要的替代方案是采用由壓電陶瓷材料制成的小型剛性執(zhí)行器。壓電陶瓷使第一代微型無人機(jī)得以飛行，但它們非常脆弱。Chen 設(shè)計(jì)了一種更具彈性的微型無人機(jī)，采用軟致動(dòng)器，而不是比較硬的、易碎的致動(dòng)器。

軟致動(dòng)器由涂有碳納米管的薄橡膠圓筒制成。當(dāng)對(duì)碳納米管施加電壓時(shí)，它們產(chǎn)生一種靜電力，擠壓并拉長橡膠圓筒。反復(fù)的拉伸和收縮使無人機(jī)的翅膀快速的煽動(dòng)。

Chen 采用的致動(dòng)器可以每秒拍打近 500 次，賦予無人機(jī)類似昆蟲般的彈性。你可以在它飛行時(shí)去擊打，但它會(huì)自行恢復(fù)。除此以外，它還可以做空中翻筋斗等具有攻擊性的動(dòng)作。它的重量只有 0.6 克，大約是一只大黃蜂的重量。這款無人機(jī)的外形看起來像帶有翅膀的小卡帶，不過 Chen 正在研制一種外形像蜻蜓的新型原型機(jī)。

康奈爾大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系助理教授 Farrell Helbling 表示：「用一個(gè)厘米級(jí)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛行是了不起的。由于軟致動(dòng)器固有的柔順性，即使撞上障礙物，也能保證無人機(jī)的安全，而不會(huì)對(duì)飛行產(chǎn)生很大的抑制作用。這一特性非常適合在混亂的動(dòng)態(tài)環(huán)境中飛行，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的很多應(yīng)用程序都非常有用。」

Helbling 補(bǔ)充道，實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵步驟將是從有線電源上解除機(jī)器人的束縛，這是目前致動(dòng)器的高工作電壓所需要的。

就其影響而言，發(fā)明類昆蟲無人機(jī)為研究昆蟲飛行的生物學(xué)和物理學(xué)提供一個(gè)窗口。Chen 通過一種逆向工程解決了這些問題，并希望未來自己的無人機(jī)可以用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)。

標(biāo)簽：無人機(jī)