小型无人机以昆虫般的敏捷发展起来

如果你曾经把蚊子从你的脸上拍开，结果它又回来了(一次又一次)，你就知道昆虫在飞行中是非常杂技般的和弹性的。这些特征帮助它们在空中飞行。这些特征也很难被赋予飞行机器人，但麻省理工学院助理教授陈宇峰(Kevin Yufeng Chen)已经建立了一个接近昆虫敏捷性的系统。

陈已经开发出了昆虫大小的无人机，具有前所未有的灵活性和弹性。空中机器人由一种新型的软致动器提供动力，这使它们能够承受真实世界飞行的物理痛苦。陈希望机器人有一天可以帮助人类为作物授粉或在狭窄的空间里进行机械检查。

通常情况下，无人机需要宽阔的开放空间，因为它们既不够灵活，无法在狭窄的空间中飞行，也不够坚固，无法承受人群中的碰撞。“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。“他们的大部分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，能在非常复杂、杂乱的空间里移动吗?”

陈说:“建造小型空中机器人的挑战是巨大的。”品脱大小的无人机需要与大型无人机完全不同的结构。大型无人机通常由电机驱动，但随着体积的缩小，电机的效率会降低。因此，陈说，对于像昆虫一样的机器人，“你需要寻找替代品。”

到目前为止，主要的替代方案是采用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，这就是一个问题——觅食的大黄蜂大约每秒钟就会遭受一次碰撞。

Chen设计了一种更有弹性的微型无人机，使用柔软的驱动器取代了坚硬脆弱的驱动器。这种软致动器是由涂有碳纳米管的薄橡胶圆筒制成的。当对碳纳米管施加电压时，它们会产生静电力，挤压并拉长橡胶圆筒。反复的伸长和收缩使无人机的翅膀快速跳动。

Chen的驱动器每秒可以扇动近500次，使无人机具有昆虫般的弹性。“你可以在它飞行时击中它，它可以恢复，”陈说。“它还能做一些侵略性的动作，比如在空中翻筋斗。”它的重量只有0.6克，大约是一只大黄蜂的质量。这款无人机看起来有点像带翅膀的小卡带，不过陈正在研究一种形状像蜻蜓的新原型机。

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扇窗口，这是研究人员长期以来探索的一个途径。陈的作品通过一种逆向工程来解决这些问题。陈说:“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非常有指导意义。”“你可以打乱一些东西，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。”但陈的目标不仅仅是增加昆虫学教科书。他的无人机也可以用于工业和农业。

陈说，他的微型空中特技师可以操纵复杂的机械，以确保安全性和功能性。“想想对涡轮发动机的检查。你会想让一架无人机带着一个小摄像头在(一个封闭的空间)周围移动，检查涡轮板上的裂缝。”

其他潜在的应用包括农作物的人工授粉或完成灾难后的搜索和救援任务。陈说:“对于现有的大型机器人来说，所有这些都是非常具有挑战性的。”有时候，越大并不意味着越好。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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