麻省理工學院（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、多障礙物等復雜情況下快速飛行，即使遭遇撞擊也可以很快恢復。
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，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。
Yufeng Chen 稱，有時候無人機尺寸并非越大越好。
康奈爾大學的助理教授 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 0.6 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和流體力學參數(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)大學也曾研制出 “信鴿”無人機。
Yufeng Chen 的無人機在該領域潛力巨大，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計巧妙，為仿生無人機研究提供了新的思路。
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