導(dǎo)讀
近日,國(guó)際頂級(jí)機(jī)器人期刊IEEE Transactions on Robotics發(fā)表了MIT助理教授YuFeng Chen與哈佛博士生Siyi Xu,港城大副教授Pakpong Chirarattananon合作的昆蟲級(jí)軟驅(qū)無(wú)人機(jī)(Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots)的最新研究。該無(wú)人機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)空中懸停,快速爬升,還可以實(shí)現(xiàn)空中翻滾,以及承受飛行過(guò)程中的人為碰撞。
一般而言,無(wú)人機(jī)需要廣闊的空間,因?yàn)樗鼈兗炔荒茉讵M窄空間中快速導(dǎo)航,也不能在受到撞擊以后保持飛行穩(wěn)定性?,F(xiàn)有的無(wú)人機(jī)都是體積相對(duì)而言較大的,而且大多數(shù)都需要足夠的空間進(jìn)行飛行動(dòng)作。問(wèn)題在于,能否設(shè)計(jì)一種昆蟲大小的無(wú)人機(jī),同時(shí)實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定飛行呢?
飛行類昆蟲由于體積小,飛行靈活,往往是近些年仿生無(wú)人機(jī)研究的重要領(lǐng)域。它們?cè)趶?fù)雜的自然環(huán)境隨意改變飛行軌跡,有如雜耍一般,各種高難度動(dòng)作都不在話下,比如空中翻滾,快速躲避障礙物,以及飛行中被撞了以后快速調(diào)整飛行姿態(tài)等等。
MIT助理教授YuFeng Chen由此受到啟發(fā),研制了一種新型的介電軟體驅(qū)動(dòng)器(dielectric elastomer actuators),用來(lái)驅(qū)動(dòng)僅有0.6g重量的軟驅(qū)類昆蟲無(wú)人機(jī)。
軟體驅(qū)動(dòng)器主要由薄橡膠圓筒以及碳納米管。當(dāng)碳納米管通電時(shí),系統(tǒng)能夠產(chǎn)生一定的靜電力,不斷地壓縮及拉伸橡膠圓筒,實(shí)現(xiàn)類似于飛行類昆蟲撲騰翅膀的狀態(tài),,每秒扇翅500次。
該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該介電軟體驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)高能量密度(1.2kW/kg)以及高傳輸效率(37%)。該類昆蟲無(wú)人機(jī)推力重量比高達(dá)2.2:1,上升速度高達(dá)70cm/s。
類昆蟲無(wú)人機(jī)的顯著改善要?dú)w功于新設(shè)計(jì)的高能量密度介電軟體驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)采用新型的介電材料(Elastosil P7670)和降低電阻,新型介電軟體驅(qū)動(dòng)器的能量密度比之前提升足足一倍,傳輸效率更是提升560%。
類昆蟲無(wú)人機(jī)靜態(tài)試驗(yàn):
同時(shí),該類昆蟲無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空中懸停。
類昆蟲無(wú)人機(jī)空中懸停:
以及實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)開(kāi)始快速爬升。
同時(shí),研究人員還進(jìn)行了嚴(yán)苛的碰撞測(cè)試,在該類昆蟲無(wú)人機(jī)飛行的過(guò)程中分別撞擊包括無(wú)人機(jī)本體以及機(jī)翼,甚至采用猛烈撞擊將其擊落。該無(wú)人機(jī)仍然能夠迅速恢復(fù)到穩(wěn)定飛行狀態(tài),表現(xiàn)出強(qiáng)有力的抗撞擊能力。
最為有趣的是,新研制的類昆蟲無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了翻滾動(dòng)作,并在翻滾之后還能保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。
康奈爾大學(xué)助理教授Farrell Helbling對(duì)比發(fā)表評(píng)論說(shuō),實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)無(wú)人機(jī)是一件了不起的成就。因?yàn)檫@種軟體驅(qū)動(dòng)器具備柔順性,所以無(wú)人機(jī)不需要特別進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以在障礙物很多的復(fù)雜環(huán)境中自由飛行。這個(gè)特點(diǎn)非常適合需要在凌亂的、動(dòng)態(tài)的環(huán)境中飛行的無(wú)人機(jī),對(duì)未來(lái)現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也有非常重要的指導(dǎo)意義。但他也同時(shí)表示,鑒于現(xiàn)在的類昆蟲無(wú)人機(jī)采用高壓線輸電的方式,未來(lái)需要解決無(wú)人機(jī)的無(wú)線能量傳輸?shù)膯?wèn)題。
MIT助理教授Chen表示,他希望未來(lái)無(wú)人機(jī)可以給農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)人工授粉,以及在自然災(zāi)害或礦難等事件中實(shí)行搜索與營(yíng)救。
該研究主要由 Kevin Chen、以及 Kevin Chen 的學(xué)生任智健、哈佛大學(xué)軟機(jī)器人學(xué)在讀博士生 Siyi Xu、香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系副教授 Pakpong Chirarattananon 等人完成。
Kevin YuFeng Chen 2012年獲得康奈爾大學(xué)應(yīng)用及工程物理系學(xué)士學(xué)位,2017年獲得哈佛大學(xué)工程學(xué)博士學(xué)位,導(dǎo)師為Robert J. Wood教授?,F(xiàn)為MIT電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授。主要工作集中在為微型機(jī)器人設(shè)計(jì)高魯棒性軟體驅(qū)動(dòng)器,以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)機(jī)器人在空氣、陸地以及水中的運(yùn)動(dòng)。
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