昨天，Nature封面發(fā)表一項(xiàng)重磅研究：哈佛大學(xué)開發(fā)出史上最輕的自主飛行機(jī)器人！這個(gè)蜜蜂機(jī)器人僅259毫克，只需太陽能供電就能實(shí)現(xiàn)持續(xù)、不受束縛的飛行！
早在達(dá)芬奇的時(shí)代，飛行的動(dòng)物就激發(fā)了人類的探索精神，人們一直試圖模仿自然界中的飛行動(dòng)物，制造出能夠扇動(dòng)翅膀飛起來的機(jī)器。
在今天Nature雜志的封面文章中，由Robert J. Wood教授領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了他們模擬昆蟲制造的飛行機(jī)器人，這是一個(gè)四翼的蜜蜂機(jī)器人，他們稱之為RoboBee X-Wing。
研究人員聲稱，這是迄今為止最輕的昆蟲飛行器，它使用太陽能電池，只要有光源就能持續(xù)、不受束縛地飛行。
這個(gè)受昆蟲啟發(fā)的機(jī)器人是有史以來最輕的飛行器，可以在無需電源栓繩的情況下實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行。
RoboBee X-Wing重259毫克，比回形針還輕，翼展約3.5厘米。
它由重量約為10毫克的微型太陽能電池供電，與點(diǎn)亮一串LED圣誕燈串上的一個(gè)燈泡相比，驅(qū)動(dòng)一個(gè)RoboBee所需的能量更少。
與以往的微型飛行機(jī)器人相比，這個(gè)RoboBee具有更好的傳動(dòng)比，改進(jìn)的執(zhí)行器，以及一對(duì)額外的機(jī)翼。
這些改進(jìn)使得這個(gè)微型機(jī)器人有足夠的升力，能夠攜帶6塊太陽能電池和機(jī)載電子設(shè)備。
研究人員表示，這個(gè)不受束縛的機(jī)器人蜜蜂可以用于環(huán)境探索、搜索和救援任務(wù)，等等。
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有4個(gè)翅膀的蜜蜂機(jī)器人：259毫克，太陽能供電
以前的蜜蜂機(jī)器人通常被設(shè)計(jì)得非常像蜜蜂，有兩個(gè)跟蜜蜂翅膀差不多大的撲翼。畢竟，蜜蜂用兩只翅膀就可以做很多事情，那么為什么機(jī)器人不能呢?
事實(shí)證明，有翅膀的微型機(jī)器人之所以不能完成蜜蜂能做的事情，原因有很多，比如偏航控制問題就已被證明很棘手。這也是為什么使用四個(gè)翅膀而不是兩個(gè)翅膀這種不那么類似蜜蜂的設(shè)計(jì)很吸引人的原因之一。
此外，撲翼機(jī)器人與固定翼無人機(jī)和四旋翼直升機(jī)相比，還有一些潛在的優(yōu)勢。拍動(dòng)翅膀使動(dòng)物和機(jī)器高度靈活和機(jī)動(dòng)——例如，蝙蝠可以輕松地飛過地下室、洞穴和茂密的森林。此外，扇動(dòng)的翅膀通常比螺旋槳的葉尖速度要慢，因此更安靜，如果它們撞到人，造成的傷害也更小。
實(shí)現(xiàn)昆蟲大小的飛行機(jī)器人有3個(gè)具體的挑戰(zhàn)。
首先，用于制造機(jī)器人的材料必須既堅(jiān)固又輕盈。
其次，人類設(shè)計(jì)的致動(dòng)器(將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的裝置)和電池還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)生物組織的功率和能量密度。
第三，動(dòng)物通常用來保持穩(wěn)定飛行和操縱的傳感和控制算法復(fù)雜得令人難以置信。即使使用超級(jí)計(jì)算機(jī)，也很難模擬動(dòng)物飛行的算法，盡管一個(gè)典型的昆蟲大腦只有大約100萬個(gè)神經(jīng)元——這比超級(jí)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中的組件數(shù)量少了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
當(dāng)然，Jafferis團(tuán)隊(duì)的工作并不是第一個(gè)能自主飛行的撲翼機(jī)器人昆蟲。去年在ICRA,華盛頓大學(xué)的一個(gè)小組就展示了一個(gè)雙翼機(jī)器人，當(dāng)激光對(duì)準(zhǔn)它的太陽能電池時(shí)，它就能起飛。不過哈佛大學(xué)的機(jī)器人蜜蜂不止是能“起飛”，而且能在空中持續(xù)飛行。
RoboBee X-Wing機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如下圖所示。持續(xù)飛行要求要有持續(xù)供能、而且輕量的電源。以前的昆蟲機(jī)器人，有線的電源顯然不行。
RoboBee X-Wing。只有幾厘米大小的飛行器，通過扇動(dòng)翅膀飛行。提供動(dòng)力的太陽能電池板安裝在機(jī)翼系統(tǒng)上方；電子設(shè)備則安裝在機(jī)翼下方。
作者巧妙地避開了有線電源的問題，而是在機(jī)器人蜂頂部安裝太陽能電池板。在高強(qiáng)度光源照明下，太陽能板能提供大約120毫瓦電能，足以驅(qū)動(dòng)這個(gè)只有259毫克的飛行系統(tǒng)。
太陽能電池板，包含6塊約5mm邊長的太陽能電池
RoboBee的核心是一個(gè)由復(fù)合材料制成的撲翼系統(tǒng)，采用激光加工技術(shù)。這是該研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)特點(diǎn)，他們屬于哈佛微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組。該小組開發(fā)了一種設(shè)計(jì)和制造工具，并且已經(jīng)開發(fā)得相當(dāng)成熟，成為制造小型機(jī)器人的寶貴(和令人羨慕的)資源。
目前他們?cè)O(shè)計(jì)的撲翼系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的四翼結(jié)構(gòu)，前后擺動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)是由集成壓電材料(將電轉(zhuǎn)化為機(jī)械力的材料)驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生足夠的升力和可接受的功率需求。
壓電材料的一個(gè)缺陷是，盡管它們可以對(duì)材料施加相當(dāng)大的力，但它們會(huì)引起微小的位移，并且需要高電壓。當(dāng)前工作的關(guān)鍵進(jìn)步是優(yōu)化了機(jī)械傳動(dòng)，從而能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧?，并開發(fā)了一個(gè)輕量級(jí)的電子電路，將太陽能電池板產(chǎn)生的低電壓轉(zhuǎn)換成壓電材料所需要的200伏特的脈沖功率。
所有這些部件組合在一起，最終形成了這個(gè)又高又瘦的飛行機(jī)器蜜蜂，它的太陽能電池板高掛在機(jī)翼系統(tǒng)上方，電子設(shè)備懸掛在機(jī)翼下方。
它當(dāng)然不是最美觀的飛行器，但當(dāng)燈一亮，它就會(huì)升空，并實(shí)現(xiàn)持續(xù)、自主、不受束縛的飛行。
下面，我們分別介紹蜜蜂機(jī)器人的電池、機(jī)翼和電子電路板三大核心組件。
為什么是四個(gè)翅膀？蜜蜂機(jī)器人三大核心組件解析
近年來，人們對(duì)開發(fā)“亞克級(jí)”（sub-gram）飛行器產(chǎn)生了濃厚的興趣，人們普遍預(yù)計(jì)這類自主飛行器的機(jī)動(dòng)性很高，可廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、密閉空間內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用。然而，隨著毫米級(jí)飛行器（MAV）的尺寸越來越小，需要采用與此前不同的致動(dòng)策略，以及基于撓曲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以克服極小尺寸帶來的諸多限制。尺寸問題降低了電磁電動(dòng)機(jī)性能，并增加了傳統(tǒng)軸承摩擦帶來的損失。
在毫米級(jí)的飛行器中，通常選擇壓電作為致動(dòng)來源，因?yàn)樗鼈兊墓β拭芏葮?biāo)度為L^-1（其中L是致動(dòng)器長度），且致動(dòng)器的振蕩操作可以與機(jī)翼的期望運(yùn)動(dòng)良好匹配。制造和組裝技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)一步增加了在微型機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)健性。不過，這種飛行器飛行必須依賴外部電源和控制系統(tǒng)。
在本文中，我們?cè)?ldquo;昆蟲級(jí)”飛行器內(nèi)部集成了超低重量的電源和信號(hào)發(fā)生器（圖1a），以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的無附件飛行（圖1b）。我們將這款飛行器命名為RoboBee XWing（圖2a）。
圖1：RoboBee XWing飛行器及其性能。a，飛行器質(zhì)量僅90毫克，有四個(gè)機(jī)翼，翼展3.5厘米。太陽能電池位于車輛上方3厘米處，以防止與機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)干擾。驅(qū)動(dòng)電子裝置定位使質(zhì)心和壓力中心對(duì)齊。整個(gè)集成系統(tǒng)重259毫克，高6.5厘米。b，飛行器在無附件飛行期間按設(shè)定拍攝視頻。光源在機(jī)架外部正上方提供大約三倍于太陽的光強(qiáng)度。連接到太陽能電池陣列的Kevlar線的作用是確保飛行安全。
圖2 | 飛行器的設(shè)計(jì)。a，RoboBee XWing。b，氧化鋁橋壓電致動(dòng)器（PZT為壓電換能器）。c，飛行器的特寫俯視圖中可以看到每個(gè)致動(dòng)器與兩個(gè)機(jī)翼的連接機(jī)構(gòu)（左側(cè)，用于圖a中的飛行器）與每個(gè)致動(dòng)器連接一個(gè)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)（右側(cè)，用于以前的飛行器）對(duì)比。圖中黃色部分是將兩個(gè)機(jī)翼固定到變速器上的適配器。此外還顯示出傳動(dòng)比T和機(jī)翼運(yùn)動(dòng)行程的旋轉(zhuǎn)中心。d，在峰值升力操作條件下（210 V，165 Hz），機(jī)翼運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的空氣動(dòng)力學(xué)示意圖。
考慮到飛行器的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和電源的升力、重量，功率和效率，實(shí)現(xiàn)無附件飛行所需的光強(qiáng)度相當(dāng)于5-7個(gè)太陽(1太陽≈1kW m−2)，這個(gè)條件是無法實(shí)現(xiàn)的。我們采用新的設(shè)計(jì)方式解決了這個(gè)問題（圖2a）。首先是對(duì)致動(dòng)器設(shè)計(jì)的改進(jìn)（圖2b），降低傳動(dòng)比（機(jī)翼行程角與致動(dòng)器尖端偏轉(zhuǎn)的比率）讓升力峰值增加了38％（同時(shí)保持致動(dòng)器尺寸不變）。
為了在不明顯增加功耗的情況下實(shí)現(xiàn)升力的顯著提升，可以通過降低機(jī)翼運(yùn)動(dòng)速率，增大機(jī)翼面積的方法來實(shí)現(xiàn)，功率=力×速度。而增大機(jī)翼面積的最有效方法是增加更多的機(jī)翼（圖2c），四機(jī)翼飛行器能夠?qū)⑿侍岣叨噙_(dá)30％。
圖3：驅(qū)動(dòng)電子電路。a，三個(gè)驅(qū)動(dòng)波形會(huì)產(chǎn)生相同的機(jī)翼運(yùn)動(dòng)。b，雙向反激式轉(zhuǎn)換器電路圖。VIN是輸入電壓，CIN是輸入電容，QL是低位開關(guān)，DL是低位二極管，LP為變壓器初級(jí)繞組，LS是變壓器次級(jí)繞組，QH是高位開關(guān)， DH是高位二極管，VO是輸出電壓。c，完整電路圖，包括來自b（紫色）的兩個(gè)雙向反激轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)壓電晶片（標(biāo)記為“致動(dòng)器”）。微控制器單元（MCU）中的一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）（橙色）分別監(jiān)視板A（V A）或板B（V B）的輸出電壓。由一個(gè)查找表將結(jié)果與期望電壓V des進(jìn)行比較，并對(duì)相應(yīng)的開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。d，c圖對(duì)應(yīng)的真實(shí)部件。
圖4 | 驅(qū)動(dòng)電信號(hào)示意圖。a，致動(dòng)器橫截面圖，表示了電壓命名，極化方向（紅色箭頭）和彎曲方向（藍(lán)色箭頭）。b，對(duì)飛行器施加的實(shí)測電壓。為了方便比較，我們繪制的是理想化的扁平正弦電壓信號(hào)（Vpp = 193 V，f = 174 Hz，加入8.4 V的電壓偏移以匹配數(shù)據(jù)。c，相應(yīng)的輸入電壓（V IN）; V OC是光伏電池陣列的開路電壓。d，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)（V diff）和理想化扁平正弦的前幾個(gè)諧波的振幅比較。
5-7個(gè)太陽才能起飛！未來優(yōu)化空間巨大
該設(shè)備本身是一個(gè)令人印象深刻的成就，同樣值得的矚目的是該團(tuán)隊(duì)為系統(tǒng)進(jìn)行的詳細(xì)描述的建模和設(shè)計(jì)。飛行機(jī)器蜜蜂不只是將各個(gè)部件結(jié)合在一起。它還反映了重量、電能、控制、力量、彈性甚至成本等各種因素達(dá)成的平衡。
還有很多工作要做，我們還沒有完全達(dá)到機(jī)器人群將飛上天空的地步。Jafferis和他同事的機(jī)器人需要強(qiáng)烈的光來產(chǎn)生足夠的能量才能起飛(至少是太陽強(qiáng)度的5-7倍)，研究人員表示將來的工作是將電力需求降低到一個(gè)太陽的強(qiáng)度就能提供。
此外，這臺(tái)機(jī)器人飛行了不到一秒就從視野中消失了，很可能是要迫降了。在RoboBee X-Wing真正實(shí)現(xiàn)自主飛行之前，還需要進(jìn)行一些設(shè)計(jì)優(yōu)化等工作。
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