昆虫非凡的杂技特性帮助它们在充满阵风、障碍物和普遍不确定性的空中世界中导航。信用:凯文·陈宇风如果你曾经把一只蚊子从你的脸上拍掉，结果它又回来了(一次又一次)，你就知道昆虫在飞行中非常有技巧和韧性。这些特征帮助他们在充满阵风、障碍和不确定性的空中世界中航行。这样的特征也很难被制造成飞行机器人，但是麻省理工学院助理教授凯文·陈宇风已经建立了一个接近昆虫敏捷度的系统。陈，电子工程与计算机科学系和电子研究实验室的成员，已经开发出昆虫大小的无人机，具有前所未有的灵巧性和韧性。这些空中机器人由一种新型的软致动器提供动力，这使它们能够承受现实世界飞行的物理痛苦。陈希望有一天这些机器人可以通过给农作物授粉或在狭窄的空间里进行机械检查来帮助人类。
陈的研究成果本月发表在《IEEE机器人学报》上。他的合著者包括麻省理工学院博士生任志坚、哈佛大学博士生徐思怡和香港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导航，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。“他们的大多数应用都涉及户外飞行。问题是:你能创造出昆虫大小的机器人，在非常复杂、杂乱的空间里移动吗？”
陈表示，“制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。大型回旋通常由马达驱动，但是当你缩小时，马达会失去效率。因此，陈说，对于昆虫类机器人，“你需要寻找替代品。”
到目前为止，主要的替代方法是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性致动器。虽然压电陶瓷允许第一代微型机器人飞行，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，使用的是柔软的驱动器，而不是坚硬易碎的驱动器。软致动器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆柱体制成。当电压施加到碳纳米管上时，它们产生静电力，挤压并拉长橡胶圆柱体。反复的伸长和收缩导致无人机的翅膀快速跳动。
陈的致动器每秒钟可以扇动近500次，赋予无人机昆虫般的韧性。“当它在飞的时候，你可以击中它，它可以恢复，”陈说。"它也可以做攻击性的动作，比如在空中翻筋斗."它的重量只有0.6克，大约相当于一只大黄蜂的重量。这架无人机看起来有点像一个带翅膀的微型盒式磁带，尽管陈正在研究一种形状像蜻蜓的新原型。
“用厘米级的机器人实现飞行总是一个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法雷尔·赫尔布林说，他没有参与这项研究。“由于软执行器固有的柔顺性，机器人可以安全地遇到障碍物，而不会极大地抑制飞行。这个特性非常适合在混乱、动态的环境中飞行，并且对许多实际应用非常有用。"
赫尔布林补充说，实现这些应用的一个关键步骤是将机器人从有线电源上分离下来，这是目前执行器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，以便有一天他们能够在现实环境中实现无束缚飞行。”
建造类似昆虫的机器人可以提供一个了解昆虫飞行的生物学和物理学的窗口，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解决了这些问题。“如果你想了解昆虫是如何飞行的，建立一个大型机器人模型是非常有启发性的，”他说。“你可以扰动一些东西，看看它如何影响运动学或流体力如何变化。这将帮助你理解那些东西是如何飞行的。”但是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，他的小型空中专家可以驾驶复杂的机器，以确保安全和功能。“想想涡轮发动机的检查。你会想让一架无人机带着一个小摄像机在[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救任务。“所有这些对于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，大并不是更好。
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