研究人员推出新一代小巧灵活的无人机

该技术可以提高空中机器人的能力，使它们能够在狭窄的空间中运行并承受碰撞。如果你曾经把一只蚊子从你的脸上拍开，结果它又回来了(一次又一次)，你就会知道昆虫在飞行中可以表现出非凡的杂技和弹性。这些特征帮助他们在空中世界中航行，伴随着所有的阵风、障碍和普遍的不确定性。这些特征也很难融入飞行机器人中，但麻省理工学院助理教授 Kevin Yufeng Chen 已经建立了一个接近昆虫敏捷性的系统。

昆虫非凡的杂技特征帮助它们在空中世界中航行，那里有所有的阵风、障碍物和普遍的不确定性。这些特征也很难融入飞行机器人——但麻省理工学院助理教授 Kevin Yufeng Chen 已经建立了一个接近昆虫敏捷性的系统。图片：由 Kevin Yufeng Chen/麻省理工学院提供

电子工程与计算机科学系和电子研究实验室的成员陈博士开发了具有前所未有的灵巧性和弹性的昆虫大小的无人机。空中机器人由一类新型软执行器提供动力，这使它们能够承受现实世界飞行的物理压力。陈希望机器人有朝一日可以通过在狭窄的空间为农作物授粉或进行机械检查来帮助人类。

Chen 的工作发表在IEEE Transactions on Robotics杂志上。他的合著者包括麻省理工学院博士生任志健、哈佛大学博士生徐思义和城市大学机器人专家 Pakpong Chirarattananon。

通常情况下，无人机需要开阔的空间，因为它们既不够灵活，无法在狭窄的空间中航行，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，它们通常都很大，”陈说。“他们的大部分应用都涉及到户外飞行。问题是：你能否创造出能够在非常复杂、杂乱的空间中移动的昆虫级机器人?”

据陈说，“建造小型空中机器人的挑战是巨大的。” 小型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提供动力，但是当您缩小它们时，电机会降低效率。因此，陈说，对于类似昆虫的机器人，“你需要寻找替代品。”

迄今为止，主要的替代方案是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性致动器。虽然压电陶瓷使第一代微型机器人得以 飞行，但它们非常脆弱。当你建造一个机器人来模仿昆虫时，这就是一个问题——觅食的大黄蜂大约每秒承受一次碰撞。

陈设计了一种更具弹性的微型无人机，使用软执行器代替坚硬、易碎的执行器。软致动器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆柱体制成。当向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。反复的伸长和收缩导致无人机的机翼快速跳动。

Chen 的执行器每秒可以拍打近 500 次，赋予无人机昆虫般的弹性。“你可以在它飞行时击中它，它可以恢复，”陈说。“它还可以做一些激进的动作，比如在空中翻筋斗。” 它的重量仅为 0.6 克，大约相当于一只大黄蜂的质量。无人机看起来有点像带翅膀的小盒式磁带，尽管陈正在研究一种形状像蜻蜓的新原型。

“使用厘米级机器人实现飞行总是一项令人印象深刻的壮举，”康奈尔大学电气和计算机工程助理教授 Farrell Helbling 说，他没有参与这项研究。“由于软执行器的固有柔顺性，机器人可以安全地撞上障碍物，而不会极大地阻碍飞行。此功能非常适合在杂乱的动态环境中飞行，并且对于任何数量的实际应用都非常有用。”

Helbling 补充说，实现这些应用的关键一步是将机器人与有线电源断开，这是目前执行器的高工作电压所需要的。“我很高兴看到作者将如何降低工作电压，以便他们有一天能够在现实世界的环境中实现不受限制的飞行。”

建造类昆虫机器人可以为了解昆虫飞行的生物学和物理学提供一扇窗户，这是研究人员长期以来的探究途径。Chen 的工作通过一种逆向工程解决了这些问题。“如果你想了解昆虫是如何飞行的，建造一个比例尺的机器人模型是非常有益的，”他说。“你可以扰乱一些事情，看看它如何影响运动学或流体力如何变化。这将帮助你了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。他的无人机也可用于工业和农业。

陈说，他的迷你飞行器可以操纵复杂的机器以确保安全和功能。“想想涡轮发动机的检查。你需要一架无人机在 [封闭空间] 周围移动，并带有一个小型摄像头，以检查涡轮板上是否有裂缝。”

其他潜在应用包括作物人工授粉或在灾难后完成搜救任务。“对于现有的大型机器人来说，所有这些事情都非常具有挑战性，”陈说。有时候，不是越大越好。

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