麻省理工學(xué)院(MIT)助理教授Yufeng Chen近期發(fā)表了一篇“昆蟲”無人機的論文，該無人機長、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級軟驅(qū)動空中機器人(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，做常規(guī)無人機做不到的事
蒼蠅、蚊子等昆蟲可能是人們最討厭的昆蟲，因為這些昆蟲不僅敏捷，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)。
通常來說，無人機并不具備這樣的特性，其飛行過程中需要寬闊的空間，并避免撞擊。
但是Yufeng Chen和他的團隊研發(fā)的“昆蟲”無人機無懼碰撞，可以在復(fù)雜、混亂的空間中移動。據(jù)悉，該無人機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)，翻筋斗等高難度動作也不在話下。
這種“昆蟲”無人機在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、搜救等多個領(lǐng)域都很有幫助。
如密閉發(fā)動機的內(nèi)部檢查、人工授粉和進入狹窄空間搜救等任務(wù)都可以由這種無人機完成，而現(xiàn)有的常規(guī)無人機則很難完成這些任務(wù)。
Yufeng Chen稱，有時候無人機尺寸并非越大越好。
康奈爾大學(xué)的助理教授Farrell Helbling認為，“昆蟲”無人機的研發(fā)是一項令人印象深刻的壯舉，飛行中該無人機無懼碰撞更是大大擴展了其實際用途。
二、重量僅6克，形似小磁帶盒
Yufeng Chen及其團隊研發(fā)的這款新型“昆蟲”無人機的質(zhì)量僅有0.6克，大約和一只大黃蜂差不多重。其形狀看起來有點像帶翅膀的小磁帶盒。
雖然“昆蟲”無人機的樣子有點名不副實，但是這種無人機為研究昆蟲飛行的生物和物理科學(xué)家提供了一種新的研究途徑。
研究昆蟲飛行的科研人員可以改變一些無人機的動力學(xué)和流體力學(xué)參數(shù)，并通過觀察無人機的運動狀態(tài)如何變化，更加深入的了解昆蟲飛行原理。
由于接近昆蟲大小的無人機與大型無人機構(gòu)造截然不同，Yufeng Chen及其團隊已多年探索如何解決微型無人機研發(fā)方面的挑戰(zhàn)。
三、采用新致動器，每秒可扇近500次翅膀
早在2019年，這一研究團隊關(guān)于微型無人機的論文已經(jīng)登上頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》。過去兩年，研究團隊為了使無人機更耐擊打而設(shè)計更加優(yōu)化的方案，使得新一代無人機在功率密度等性能方面有了顯著的提升。
大型無人機通常使用電動機為其提供動力，但是對于“昆蟲”無人機來說，合適尺寸的電動機卻很難提供足夠的動力。
之前第一代微型無人機采用的是基于壓電陶瓷材料的剛性驅(qū)動器，這種剛性驅(qū)動器卻非常脆弱，無法像昆蟲一般從碰撞中恢復(fù)繼續(xù)飛行，所以Yufeng Chen團隊只能放棄這種方案。
Yufeng Chen為了解決碰撞問題，設(shè)計了一種新型介電彈性體致動器(DEA)。
這種彈性體致動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，涂層就會產(chǎn)生靜電力，擠壓、拉長橡膠筒，而反復(fù)的伸長和收縮則使無人機機翼快速跳動，其機翼每秒可拍動近500次，產(chǎn)生升力。
Farrell Helbling認為，該技術(shù)投入實用的下一步是使無人機擺脫電源線的束縛。
目前由于彈性體致動器的工作電壓較高，只能連線提供電壓。如果Yufeng Chen團隊能夠降低操作電壓，那“昆蟲”無人機將實現(xiàn)在現(xiàn)實環(huán)境中無繩自由飛行。
此外為了使無人機更像昆蟲，Yufeng Chen正在研發(fā)一種蜻蜓形狀的原型機。
結(jié)語：“昆蟲”靈感正啟發(fā)更多無人機創(chuàng)新
仿生無人機一直是無人機領(lǐng)域的重要課題，德國費斯托公司曾研發(fā)一種“仿生蝴蝶”無人機，能夠像蝴蝶一樣翩翩起舞，我國西北工業(yè)大學(xué)也曾研制出“信鴿”無人機。
Yufeng Chen的無人機在該領(lǐng)域潛力巨大，隨著新材料與電源技術(shù)的改進，“昆蟲”無人機的性能仍有較大提升空間，其新型介電彈性體致動器設(shè)計巧妙，為仿生無人機研究提供了新的思路。
