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設(shè)備與工具
如果你曾經(jīng)把一只蚊子從你的臉上拍開，結(jié)果它又回來了（一次又一次），你就會(huì)知道昆蟲在飛行中可以非常靈活和有彈性。這些特征幫助它們?cè)诳罩惺澜?a href="http://www.hldxsj.cn/shop/47/index/" title="中航" target="_blank">中航行，其中包括所有的陣風(fēng)、障礙和一般的不確定性。這樣的特征也很難被構(gòu)建到飛行機(jī)器人中，美國但麻省理工學(xué)院助理教授陳宇峰（Kevin Yufeng Chen）已經(jīng)建立了一個(gè)接近昆蟲敏捷性的系統(tǒng)。
陳宇峰是電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系和電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的成員，他開發(fā)的昆蟲大小的無人機(jī)具有前所未有的靈活性和彈性。這種空中機(jī)器人由一類新的軟性執(zhí)行器提供動(dòng)力，使它們能夠經(jīng)受住現(xiàn)實(shí)世界飛行的物理苦難。陳宇峰希望這些機(jī)器人有朝一日能夠幫助人類，為農(nóng)作物授粉或在狹窄的空間內(nèi)進(jìn)行機(jī)械檢查。
陳宇峰的工作本月出現(xiàn)在IEEE Transactions on Robotics雜志上。他的合著者包括麻省理工學(xué)院博士生任志堅(jiān)、哈佛大學(xué)博士生徐思怡和香港城市大學(xué)機(jī)器人學(xué)家Pakpong Chirarattananon。
通常情況下，無人機(jī)需要寬闊的空間，因?yàn)樗鼈兗炔粔蜢`活，無法在狹小的空間內(nèi)航行，也不夠堅(jiān)固，無法承受人群中的碰撞。
陳宇峰說：
"如果我們看看今天的大多數(shù)無人機(jī)，它們通常相當(dāng)大。它們的大多數(shù)應(yīng)用都涉及在戶外飛行。問題是：你能不能創(chuàng)造出昆蟲規(guī)模的機(jī)器人，可以在非常復(fù)雜、雜亂的空間里移動(dòng)？"
陳宇峰認(rèn)為，制造小型空中機(jī)器人的挑戰(zhàn)是巨大的。小指大小的無人機(jī)需要的結(jié)構(gòu)與大型無人機(jī)有著本質(zhì)上的區(qū)別。大型無人機(jī)通常由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但電機(jī)會(huì)隨著你的縮小而失去效率。因此，陳宇峰說對(duì)于昆蟲類機(jī)器人，你需要尋找替代品。
到目前為止，主要的替代方案是采用一種由壓電陶瓷材料構(gòu)建的小型剛性執(zhí)行器。雖然壓電陶瓷讓第一代小型機(jī)器人得以飛行，但它們相當(dāng)脆弱。而當(dāng)你要制造一個(gè)模仿昆蟲的機(jī)器人時(shí)，這是一個(gè)問題--覓食的大黃蜂大約每秒鐘都要承受一次碰撞。
陳宇峰設(shè)計(jì)了一種更有彈性的小型無人機(jī)，使用軟性執(zhí)行器代替堅(jiān)硬易碎的執(zhí)行器。軟執(zhí)行器由涂有碳納米管的薄橡膠圓柱體制成。當(dāng)對(duì)碳納米管施加電壓時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一種靜電，擠壓并拉長橡膠圓柱體。反復(fù)的伸長和收縮導(dǎo)致無人機(jī)的翅膀跳動(dòng)--快速。
陳宇峰的執(zhí)行器每秒可以扇動(dòng)近500次，使無人機(jī)具有昆蟲般的彈性。陳宇峰說："你可以在它飛行時(shí)擊中它，它可以恢復(fù)。它還可以在空中做翻筋斗等攻擊性動(dòng)作。而且它的重量只有0.6克，大約相當(dāng)于一只大黃蜂的質(zhì)量。這架無人機(jī)看起來有點(diǎn)像一盤帶著翅膀的小磁帶，不過Chen正在研究一種形狀像蜻蜓的新原型機(jī)。用厘米級(jí)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛行總是令人印象深刻的壯舉?！?/p>
美國康奈爾大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授法雷爾-赫爾布林（Farrell Helbling）說：
“他沒有參與這項(xiàng)研究。由于軟執(zhí)行器固有的順應(yīng)性，機(jī)器人可以安全地撞上障礙物，而不會(huì)大大抑制飛行。這一特點(diǎn)非常適合在雜亂的動(dòng)態(tài)環(huán)境中飛行，對(duì)于任何數(shù)量的現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用都可能非常有用。"
Helbling補(bǔ)充說，邁向這些應(yīng)用的關(guān)鍵一步將是將機(jī)器人從有線電源中解脫出來，而目前執(zhí)行器的高工作電壓就需要這樣的電源。我很高興看到作者將如何降低工作電壓，以便有朝一日能夠在現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無繩飛行。
建造類似昆蟲的機(jī)器人可以提供一個(gè)了解昆蟲飛行的生物學(xué)和物理學(xué)的窗口，這是研究人員長期以來的一個(gè)探索途徑。陳宇峰的工作通過一種逆向工程來解決這些問題。他說："如果你想了解昆蟲如何飛行，建立一個(gè)規(guī)模的機(jī)器人模型是非常有指導(dǎo)意義的。你可以擾動(dòng)一些東西，看看它如何影響運(yùn)動(dòng)學(xué)或流體力的變化。這將幫助你理解那些東西是如何飛行的。"
但陳宇峰的目標(biāo)不僅僅是為昆蟲學(xué)教科書添磚加瓦。他的無人機(jī)還可以在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中發(fā)揮作用。
陳宇峰說，他的迷你航空器可以駕馭復(fù)雜的機(jī)械，以確保安全和功能。"想想對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的檢查。你會(huì)希望一架無人機(jī)在[一個(gè)封閉的空間]里移動(dòng)，帶著一個(gè)小型攝像頭來檢查渦輪板上的裂縫。"
其他潛在的應(yīng)用包括農(nóng)作物的人工授粉或在災(zāi)難后完成搜索和救援任務(wù)。"所有這些事情對(duì)于現(xiàn)有的大型機(jī)器人來說都是非常具有挑戰(zhàn)性的。"陳宇峰說，有時(shí)候，更大并不是更好。
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