机器人

微型无人机具有昆虫的敏捷性

昆虫大小的无人机已经开发了一个软驱动器,使它们能够承受现实世界飞行的物理痛苦,这可以帮助它们在许多应用中的整体运动。看到视频。

丹尼尔·阿克曼 2021年3月2日
昆虫非凡的杂技特性帮助它们在空中的世界中导航,包括大风、障碍物和普遍的不确定性。这样的特性也很难植入飞行机器人——但麻省理工学院助理教授陈宇峰(Kevin Yufeng Chen)已经建立了一个系统,可以接近昆虫的敏捷性。礼节:Kevin Yufeng Chen, MIT

如果你曾经把一只蚊子从你脸上拍走,结果它又回来了(一次又一次),你就知道昆虫在飞行中有惊人的灵活性和弹性。这些特征帮助它们在空中的世界中航行。这种特性也很难植入飞行机器人,但麻省理工学院助理教授陈宇峰(Kevin Yufeng Chen)已经建立了一个系统,可以接近昆虫的敏捷性。

陈研制出了昆虫大小的无人机,其灵巧度和韧性都是前所未有的。空中机器人由一种新型的软驱动器提供动力,这使得它们能够承受真实世界飞行的物理痛苦。陈希望这些机器人有一天可以帮助人类为农作物授粉,或者在狭窄的空间执行机器检查。

通常情况下,无人机需要广阔的开放空间,因为它们既不能灵活地在狭窄的空间中导航,也不够结实,无法在人群中承受碰撞。“如果我们看看今天的大多数无人机,它们通常都相当大,”陈说。它们的大多数应用都涉及到户外飞行。问题是:你能创造出昆虫大小的机器人,可以在非常复杂、杂乱的空间里移动吗?”

陈教授说:“制造小型空中机器人的挑战是巨大的。“小型无人机的结构与大型无人机完全不同。大型无人机通常由电机提供动力,但当你缩小它们时,电机就会失去效率。因此,陈说,对于类昆虫机器人,“你需要寻找替代品。”

到目前为止,主要的替代方案是使用一种由压电陶瓷材料制成的小型刚性驱动器。虽然压电陶瓷让第一代微型机器人得以飞行,但它们相当脆弱。当你建造一个模仿昆虫的机器人时,这是一个问题——觅食的大黄蜂大约每秒钟要忍受一次碰撞。

陈设计了一种更有弹性的微型无人机,使用的是软驱动器,而不是硬的、易碎的驱动器。软驱动器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆柱体制成。当对碳纳米管施加电压时,它们会产生静电力,挤压并拉长橡胶圆柱体。反复的拉伸和收缩使无人机的翅膀快速跳动。

陈的致动器可以每秒拍打近500次,赋予无人机类似昆虫的弹性。“你可以在它飞行时击中它,它也可以恢复,”陈说。它还可以做空中翻筋斗等具有攻击性的动作。它的重量只有0.6克,大约是一只大黄蜂的质量。这架无人机看起来有点像带翅膀的小卡带,不过陈正在研制一种外形像蜻蜓的新型原型机。

建造类似昆虫的机器人可以为研究昆虫飞行的生物学和物理学提供一个窗口,这是研究人员长期探索的途径。陈的工作通过一种逆向工程来解决这些问题。“如果你想了解昆虫是如何飞行的,建立一个比例机器人模型是非常有意义的,”陈说。“你可以干扰一些东西,看看它如何影响运动学或流体力如何变化。这将帮助你理解这些东西是如何飞行的。但陈的目标不只是为昆虫学教科书增添内容。他的无人机也可以用于工业和农业。

陈说,他的迷你空中飞人可以驾驶复杂的机器,确保安全和功能。“想想对涡轮发动机的检查。你会希望无人机带着一个小摄像头在(一个封闭的空间)四处移动,检查涡轮板上的裂缝。”

其他潜在的应用包括作物的人工授粉或完成灾难后的搜索和救援任务。“所有这些对现有的大型机器人来说都是非常具有挑战性的,”陈说。有时候,越大并不代表越好。

-编辑克里斯瓦夫拉,网页内容管理器,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com


丹尼尔·阿克曼
作者简介:丹尼尔·阿克曼,麻省理工学院新闻办公室