作者：莔莔

　　編輯：Yuki

　　夏天到了，蚊蟲們的嗡嗡聲又不時(shí)回響在大家的耳邊，一不留神身上就會(huì)多幾個(gè)大包，許多人甚至聽到它們的聲音都會(huì)渾身發(fā)癢。然而，在大洋彼岸的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，一群研究者卻在努力制造嗡嗡聲，他們在設(shè)計(jì)一種微型機(jī)器人——以昆蟲為靈感的撲翼式飛行器。

　　這種機(jī)器人屬于仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人是一個(gè)非常前沿、熱門的研究領(lǐng)域。自然界中一切能夠運(yùn)動(dòng)的生命體，比如飛鳥、游魚甚至昆蟲、真菌，都能為研究者們提供靈感。而模仿昆蟲的撲翼式飛行器具有體積小、飛行靈活、低速安靜等特點(diǎn)，可以輕易完成狹窄空間、復(fù)雜地形的穿越與導(dǎo)航，在遙感測繪、災(zāi)難救援等多種場合都有著廣泛的應(yīng)用前景，因此也受到極高的關(guān)注。

　　哈佛大學(xué)的WYSS研究院是一間專注于生物交叉技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)，其中的微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室專注于仿生機(jī)器人的開發(fā)。早年間，他們研發(fā)了名為RoboBees的微型撲翼式飛行器[1]，其翼展僅為3cm，重量80mg，能夠像昆蟲一樣靈活地飛舞。

　　靈活的RoboBees | 圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

　　為了制造適合微型撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，研究者們提出了一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)與加工方法，“智能復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)(Smart Composite Microstructures，SCM）”。通過在SCM中加入壓電材料，電能可以直接作用于撲翼結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這樣制作的飛行器尺寸要比傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛行器更加緊湊，推力效率也更高。

　　從圖中可以清楚地看到，早期的RoboBees用的是一種有纜飛行技術(shù)，通過外接的電纜給飛行器供能。這種技術(shù)的缺陷也很明顯：飛行器移動(dòng)的空間被電纜限制，無法發(fā)揮出最大的功能優(yōu)勢。

　　對于微型飛行器來說，電池技術(shù)是個(gè)難關(guān)——如果想要RoboBees進(jìn)行無纜飛行，使用的鋰離子電池可能會(huì)比飛行器本身重好幾倍；如果使用太陽能板供能，則需要5-7倍的太陽光光強(qiáng)才能讓飛行器持續(xù)正常飛行?？傊黄谱怨┠艿臒o纜飛行始終是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

　　因此，微型飛行器目前最主要的研究方向就是供能方式的革新以及能量利用效率的提升。在去年的機(jī)器人與自動(dòng)化國際會(huì)議（ICRA）上，華盛頓大學(xué)的研究員就發(fā)表了一項(xiàng)供能方式上的創(chuàng)新[2]：通過激光照射微型飛行器上的光電轉(zhuǎn)換板，就可以高效地為其供電。當(dāng)然，這種方式也存在很大的缺陷：激光光源必須實(shí)時(shí)追蹤飛行器才能為其供電，而這在實(shí)際使用場景中基本是無法做到的。就目前而言，這項(xiàng)技術(shù)僅能用于飛行器的起飛，而無法用于持續(xù)飛行。

　　通過激光為飛行器供能| 圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]

　　本周，WYSS研究院研發(fā)的一個(gè)新的微型仿生機(jī)器人RoboBee X-Wing登上《自然》封面[3]。他們選擇了更為艱難的道路：提升能量的利用效率。研究者稱，RoboBee X-Wing是迄今為止最輕的、能夠?qū)崿F(xiàn)無纜飛行的昆蟲級飛行器。

　　登上《自然》封面的RoboBee X-Wing| 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

　　作為RoboBees的改進(jìn)型，RoboBee X-Wing一個(gè)明顯的變化，就是采用了四翼結(jié)構(gòu)以增加升力。主體結(jié)構(gòu)翼展3.5cm，自重90mg，與原版相比增加不多，但是峰值推力可以達(dá)到370mg。結(jié)合一些驅(qū)動(dòng)電路、波形等等其他方面的優(yōu)化，其推力效率已經(jīng)基本和同體積的昆蟲相當(dāng)。

　　RoboBeeX-Wing具有四翼結(jié)構(gòu)| 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

　　通過搭載一枚60mg的太陽能板以及100mg的驅(qū)動(dòng)電路板，總重259mg的RoboBee X-Wing可以在3倍太陽光強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行持續(xù)的飛行，并且還能提供少量載荷用于搭載其他設(shè)備。此外，他們的仿真結(jié)果顯示，如果將飛行器的體積放大至現(xiàn)在的1.26倍，則其飛行需要的光強(qiáng)僅需1.5倍太陽光強(qiáng)。

　　RoboBee X-Wing主體結(jié)構(gòu)；加裝太陽能板與驅(qū)動(dòng)電路| 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

　　不過研究者也承認(rèn)，這項(xiàng)工作距離真正的實(shí)用化飛行器仍然有一段距離。RoboBee X-Wing看似距離室外飛行只差臨門一腳，但是實(shí)際上還需要大量的優(yōu)化甚至關(guān)鍵技術(shù)的革新，才能夠攻克這最后的壁壘。

　　然而不積跬步，無以至千里；正是這一點(diǎn)一滴的技術(shù)進(jìn)步，才讓今天的人類能夠享受到各種高科技帶來的便利。隨著電池技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠受控飛行的微型機(jī)器人也許指日可待了。

　　排版：陳小磚

　　題圖來源：pixabay

　　[1] Ma K Y, Chirarattananon P, Fuller S B, et al. Controlled flight of a biologically inspired, insect-scale robot[J]. Science, 2013, 340(6132): 603-607.

　　[2] James J, Iyer V, Chukewad Y, et al. Liftoff of a 190 mg laser-powered aerial vehicle: The lightest wireless robot to fly[C]//2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2018: 1-8.

　　[3] Noah T. Jafferis, E. Farrell Helbling, Michael Karpelson & Robert J. Wood. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature 570, 491–495 (2019)