MIT新一代类昆虫无人机能承受得住人为的碰撞

2021-03-04 15:13:25来源：51cto

仿生鸟类和昆虫一直是无人机研究领域的重要课题，也出现了各式各样的飞行机器人，如斯坦福学者制造的带羽毛翅膀的「机器鸽」等。MIT 助理教授、前哈佛大学微型机器人实验室博士后 Kevin Yufeng Chen 一直致力于制造类昆虫机器人，并对他们实验室打造的史上最轻飞行机器人Robobee进行了改进。近日，他又发表研究介绍了兼具敏捷性和回弹性的新一代微型类昆虫无人机，不仅可以在狭窄的空间中操作，还能承受得住人为的碰撞。

我们都知道，蚊子这种「惹人厌」的生物在飞行中具有极高的灵活性和复原能力。这些特性使得它们能够在大风、堆满障碍物以及其他不确定的空中环境中顺利地导航。遗憾的是，这些特性很难植入到微型飞行机器人中。

近日，MIT 电子工程与计算机科学系(EECS)助理教授 Kevin Yufeng Chen 构建了一种接近昆虫敏捷度的系统，并开发了一个无可比拟敏捷型和回弹性的类昆虫无人机(insect-sized drone)。

这款空中机器人由一种新型的软致动器赋能，使得它们能够经得起实际飞行中的物理碰撞等。Chen 希望未来这款无人机可以为农作物授粉或者在狭小空间中执行机械监理任务，从而为人类提供帮助。相关研究发表在了 IEEE Transactions on Robotics 期刊上。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9357346/authors#authors

这款昆虫大小的无人机具有哪些特性呢?

首先，无人机的致动器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆筒制成，通电时碳纳米管产生静电力，挤压和拉长橡胶圆筒。反复的伸缩使得无人机的翅膀快速煽动，从而使其顺利升空飞行。

众多网友对这款类昆虫无人机的评价甚高，认为其将变革整个无人机行业!

通常情况下，无人机需要广阔的空间，因为它们既不能灵活地在狭窄空间中导航，也没有足够的鲁棒性在拥挤的环境中承受碰撞。现今的无人机体积都很大，无人机大多数应用都涉及到户外飞行。但问题是：你能创造出昆虫大小的无人机，并使其在非常复杂、杂乱的空间里飞行吗?

Chen 表示，制造小型空中无人机的挑战是巨大的。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，对于类昆虫无人机，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执行器。压电陶瓷使第一代微型无人机得以飞行，但它们非常脆弱。Chen 设计了一种更具弹性的微型无人机，采用软致动器，而不是比较硬的、易碎的致动器。

软致动器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆筒制成。当对碳纳米管施加电压时，它们产生一种静电力，挤压并拉长橡胶圆筒。反复的拉伸和收缩使无人机的翅膀快速的煽动。

Chen 采用的致动器可以每秒拍打近 500 次，赋予无人机类似昆虫般的弹性。你可以在它飞行时去击打，但它会自行恢复。除此以外，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重量。这款无人机的外形看起来像带有翅膀的小卡带，不过 Chen 正在研制一种外形像蜻蜓的新型原型机。

康奈尔大学电子和计算机工程系助理教授 Farrell Helbling 表示：「用一个厘米级的机器人实现飞行是了不起的。由于软致动器固有的柔顺性，即使撞上障碍物，也能保证无人机的安全，而不会对飞行产生很大的抑制作用。这一特性非常适合在混乱的动态环境中飞行，对现实世界的很多应用程序都非常有用。」

Helbling 补充道，实现这些应用的一个关键步骤将是从有线电源上解除机器人的束缚，这是目前致动器的高工作电压所需要的。

就其影响而言，发明类昆虫无人机为研究昆虫飞行的生物学和物理学提供一个窗口。Chen 通过一种逆向工程解决了这些问题，并希望未来自己的无人机可以用于工业和农业。

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