MIT新一代類昆蟲無人機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研究領域的重要課題，也出現了各式各樣的飛行機器人，如斯坦福學者制造的帶羽毛翅膀的「機器鴿」等。MIT 助理教授、前哈佛大學微型機器人實驗室博士后 Kevin Yufeng Chen 一直致力于制造類昆蟲機器人，并對他們實驗室打造的史上最輕飛行機器人Robobee進行了改進。近日，他又發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，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原能力。這些特性使得它們能夠在大風、堆滿障礙物以及其他不確定的空中環境中順利地導航。遺憾的是，這些特性很難植入到微型飛行機器人中。

近日，MIT 電子工程與計算機科學系(EECS)助理教授 Kevin Yufeng Chen 構建了一種接近昆蟲敏捷度的系統，并開發了一個無可比擬敏捷型和回彈性的類昆蟲無人機(insect-sized drone)。

這款空中機器人由一種新型的軟致動器賦能，使得它們能夠經得起實際飛行中的物理碰撞等。Chen 希望未來這款無人機可以為農作物授粉或者在狹小空間中執行機械監理任務，從而為人類提供幫助。相關研究發表在了 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具有哪些特性呢?

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

眾多網友對這款類昆蟲無人機的評價甚高，認為其將變革整個無人機行業!

通常情況下，無人機需要廣闊的空間，因為它們既不能靈活地在狹窄空間中導航，也沒有足夠的魯棒性在擁擠的環境中承受碰撞。現今的無人機體積都很大，無人機大多數應用都涉及到戶外飛行。但問題是：你能創造出昆蟲大小的無人機，并使其在非常復雜、雜亂的空間里飛行嗎?

Chen 表示，制造小型空中無人機的挑戰是巨大的。小型無人機的結構與大型無人機完全不同。大型無人機通常由電機提供動力，但當你縮小它們時，電機就會失去效率。因此，對于類昆蟲無人機，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行器。壓電陶瓷使第一代微型無人機得以飛行，但它們非常脆弱。Chen 設計了一種更具彈性的微型無人機，采用軟致動器，而不是比較硬的、易碎的致動器。

軟致動器由涂有碳納米管的薄橡膠圓筒制成。當對碳納米管施加電壓時，它們產生一種靜電力，擠壓并拉長橡膠圓筒。反復的拉伸和收縮使無人機的翅膀快速的煽動。

Chen 采用的致動器可以每秒拍打近 500 次，賦予無人機類似昆蟲般的彈性。你可以在它飛行時去擊打，但它會自行恢復。除此以外，它還可以做空中翻筋斗等具有攻擊性的動作。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。

康奈爾大學電子和計算機工程系助理教授 Farrell Helbling 表示：「用一個厘米級的機器人實現飛行是了不起的。由于軟致動器固有的柔順性，即使撞上障礙物，也能保證無人機的安全，而不會對飛行產生很大的抑制作用。這一特性非常適合在混亂的動態環境中飛行，對現實世界的很多應用程序都非常有用。」

Helbling 補充道，實現這些應用的一個關鍵步驟將是從有線電源上解除機器人的束縛，這是目前致動器的高工作電壓所需要的。

就其影響而言，發明類昆蟲無人機為研究昆蟲飛行的生物學和物理學提供一個窗口。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可以用于工業和農業。

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