翻滚跳跃不怕撞,MIT研发新型 “昆虫”无人机,1 秒能扇 500 次翅膀

麻省理工学院(MIT)助理教授 Yufeng Chen 近期发表了一篇 “昆虫无人机的论文,该无人机长、宽都仅有几厘米,质量小于 1 克,在飞行中发生碰撞、翻滚也能迅速恢复飞行。该论文名为《具有高度敏捷性的抗碰撞昆虫级软驱动空中机器人(Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility)》,发表于 IEEE Transactions on Robotics。论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9357346一、模仿昆虫,做常规无人机做不到的事苍蝇、蚊子等昆虫可能是人们最讨厌的昆虫,因为这些昆虫不仅敏捷,还具备弹性。这种特性使它们可以在狂风、多障碍物等复杂情况下快速飞行,即使遭遇撞击也可以很快恢复。通常来说,无人机并不具备这样的特性,其飞行过程中需要宽阔的空间,并避免撞击。但是 Yufeng Chen 和他的团队研发的 “昆虫”无人机无惧碰撞,可以在复杂、混乱的空间中移动。据悉,该无人机具备前所未有的灵巧和弹性,即使飞行中被击中也可以在 0.16 秒内翻身恢复,翻筋斗等高难度动作也不在话下。这种 “昆虫”无人机在工业、农业、搜救等多个领域都很有帮助。如密闭发动机的内部检查、人工授粉和进入狭窄空间搜救等任务都可以由这种无人机完成,而现有的常规无人机则很难完成这些任务。Yufeng Chen 称,有时候无人机尺寸并非越大越好。康奈尔大学的助理教授 Farrell Helbling 认为,“昆虫”无人机的研发是一项令人印象深刻的壮举,飞行中该无人机无惧碰撞更是大大扩展了其实际用途。二、重量仅 0.6 克,形似小磁带盒Yufeng Chen 及其团队研发的这款新型 “昆虫”无人机的质量仅有 0.6 克,大约和一只大黄蜂差不多重。其形状看起来有点像带翅膀的小磁带盒。虽然 “昆虫”无人机的样子有点名不副实,但是这种无人机为研究昆虫飞行的生物和物理科学家提供了一种新的研究途径。研究昆虫飞行的科研人员可以改变一些无人机的动力学和流体力学参数,并通过观察无人机的运动状态如何变化,更加深入的了解昆虫飞行原理。由于接近昆虫大小的无人机与大型无人机构造截然不同,Yufeng Chen 及其团队已多年探索如何解决微型无人机研发方面的挑战。三、采用新致动器,每秒可扇近 500 次翅膀早在 2019 年,这一研究团队关于微型无人机的论文已经登上顶级学术期刊《自然》。过去两年,研究团队为了使无人机更耐击打而设计更加优化的方案,使得新一代无人机在功率密度等性能方面有了显著的提升。大型无人机通常使用电动机为其提供动力,但是对于 “昆虫”无人机来说,合适尺寸的电动机却很难提供足够的动力。之前第一代微型无人机采用的是基于压电陶瓷材料的刚性驱动器,这种刚性驱动器却非常脆弱,无法像昆虫一般从碰撞中恢复继续飞行,所以 Yufeng Chen 团队只能放弃这种方案。Yufeng Chen 为了解决碰撞问题,设计了一种新型介电弹性体致动器(DEA)。这种弹性体致动器由碳纳米涂层包裹的薄橡胶圆筒制成,如果施加电压到碳纳米涂层,涂层就会产生静电力,挤压、拉长橡胶筒,而反复的伸长和收缩则使无人机机翼快速跳动,其机翼每秒可拍动近 500 次,产生升力。Farrell Helbling 认为,该技术投入实用的下一步是使无人机摆脱电源线的束缚。目前由于弹性体致动器的工作电压较高,只能连线提供电压。如果 Yufeng Chen 团队能够降低操作电压,那 “昆虫”无人机将实现在现实环境中无绳自由飞行。此外为了使无人机更像昆虫,Yufeng Chen 正在研发一种蜻蜓形状的原型机。结语:“昆虫”灵感正启发更多无人机创新仿生无人机一直是无人机领域的重要课题,德国费斯托公司曾研发一种 “仿生蝴蝶”无人机,能够像蝴蝶一样翩翩起舞,我国西北工业大学也曾研制出 “信鸽”无人机。Yufeng Chen 的无人机在该领域潜力巨大,随着新材料与电源技术的改进,“昆虫”无人机的性能仍有较大提升空间,其新型介电弹性体致动器设计巧妙,为仿生无人机研究提供了新的思路。

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