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《自然》封面聚焦最轻无绳自主飞行器:总重相当于一颗药片

2022-08-27 21:11:15 680

摘要:工作中的RoboBee X-Wing6月27日的《自然》封面文章介绍了一款有史以来最轻的自主飞行器——总重259毫克,翼展3.5厘米,高6.5厘米,可以在无需外接电源线的情况下持续飞行。制造质量小于500毫克、翼展小于5厘米的昆虫飞行器是一...

工作中的RoboBee X-Wing

6月27日的《自然》封面文章介绍了一款有史以来最轻的自主飞行器——总重259毫克,翼展3.5厘米,高6.5厘米,可以在无需外接电源线的情况下持续飞行。

制造质量小于500毫克、翼展小于5厘米的昆虫飞行器是一项工程学挑战。

质量轻意味着有效荷载有限,难以集成足够的电子设备。因此,不少昆虫大小的飞行器采用非机载的有线电源,系绳飞行。不过,哈佛大学表示,他们以昆虫为原型的四翼飞行机器人解决了这个挑战,证明昆虫大小的微型飞行器也可以持续、不受束缚地飞行。

6月27日的《Nature》封面

上述研究由哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院(SEAS) Robert J. Wood教授领导,他和团队制造了一款扑翼式微型飞行器。由于外形酷似蜜蜂,这一飞行器被命名为RoboBee X-Wing(蜜蜂机器人)。

RoboBee X-Wing总重259毫克(即0.259克),相当于一颗感冒胶囊的重量;使用功率110至120毫瓦,功率小于圣诞LED灯串中的一枚小灯泡。它还有额外约70毫克的有效荷载,能携带轻型传感器、电子控制设备和电源,可以实现持续、无绳飞行。

剪掉电线

为了实现无绳飞行,哈佛大学的蜜蜂机器人在研发过程中经历了几次重要变化。

数十年前,哈佛大学制作出了RoboBee机器人。因为负重能力有限,RoboBee需要外接电源线,通过电源线把外置的太阳能电池和电子面板连接到飞行器上。“带绳飞行”的RoboBee颇有“带着镣铐跳舞”的意味。

为了“剪掉”这条外接电源线,研究人员给蜜蜂机器人增加了第二对机翼。项目研究人员、哈佛大学SEAS的博士后研究员Noah T. Jafferis介绍,从两翼到四翼的变化以及马达和传动比的调整使得飞行器更加高效,飞行高度增加,在不使用更多动力的情况下装载更多。

因此,改动后的RoboBee X-Wing成功地将电池和其他电子设备集成在飞行器上,实现无绳飞行。

RoboBee X-Wing飞行器及其飞行性能。飞行器自重90毫克,有四个机翼,翼展为3.5厘米;太阳能电池位于车辆上方3 cm处,以防止干扰机翼;集成系统总重259毫克。

飞到室外

蜜蜂机器人(Robobee)项目的首席研究员Robert J. Wood教授表示,RoboBee X-Wing是他们耗费了几十年才得到的成果。他解释,对小尺度飞行器而言,飞行效率本身就很低,给此类飞行器提供动力是一个质量与动力之间的艰难权衡。“我们制定的应对策略是提升飞行器的效率、创建极轻的电池线路、集成高效太阳能电池。”

目前在售的最小太阳能电池每块重10毫克。在最强太阳光照下,每毫克太阳能电池可获取的能量是0.76毫瓦,不能满足蜜蜂机器人的需求。为此,研究人员在实验室用卤素灯模拟了三倍地球太阳光的能量来供机器人飞行。也就是说,目前,蜜蜂机器人只能在实验室中工作。

实验中,受照明区域的面积限制,RoboBee X-Wing的飞行持续时间约为0.5秒。飞行达到的最大高度为12 cm,最大垂直速度0.36米每秒,最大总速度0.7米每秒。

飞行器设计图。a. RoboBee X-Wing。b. 氧化铝桥压电致动器(PZT为压电换能器)。c. 飞行器特写俯视图。d. 在峰值升力操作条件下(210 V,165 Hz),机翼运动学时延示意图。

研究人员表示,下一步,他们将致力于降低蜜蜂机器人的功率、增加它的机载控制,从而使机器人能够飞到室外。论文中提到,具体的改进可能包括使用多层致动器,将驱动电压减半并提高驱动电路效率,增加飞行器的尺寸,确定最佳机翼间距和机翼数量等。

Robert J. Wood教授说,在这个项目进程中,研究人员相继提出了一些挑战性问题的解决方案,例如,在毫米尺度建造复杂设备、创造高性能的毫米级人造肌肉、仿生设计、新型传感器和飞行控制策略。上述解决方案在微创外科设备、可穿戴传感器、辅助机器人等领域找到了应用。

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