昆虫级微型飞行机器人问世

中国科学报
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得益于高效的控制器,这个昆虫大小的机器人可以在短短几秒钟内完成急转弯和多次空翻。图片来源:《科学进展》aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物,能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。长期以来,工程师一直致力于赋予同尺寸飞行机器人或无人机类似的敏捷性。如今,美国麻省理工学院(MIT)的科学家朝这一目标迈出了重要一步。他们研发的微型有翼机器人的速度与特技表现均超越所有前代机型,甚至逼近真正昆虫的敏捷度。12月3日,相关研究发表于《科学进展》。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

美国内华达大学里诺分校的航空航天工程师Hoang-Vu Phan指出,这款新设备标志着“微型机器人性能的巨大飞跃”。 “这项成果使该领域更接近真正自主的昆虫尺寸飞行机器人,能够执行现实世界的任务。”aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

尽管近年来无人机等飞行器日益精密,但将其缩小至昆虫大小却异常棘手。“所有部件都需从零开始设计。”论文作者、MIT的工程物理学家陈宇峰(音)指出。微型电机效率会随尺寸缩小而降低,即使是微弱气流扰动,也会对扑翼和纤细关节造成负担——为减轻重量,这些部件通常设计得纤薄而精致。昆虫能毫发无损地撞击玻璃窗并抵御强风,但微型飞行机器人却没这么耐用,这是因为合成材料根本无法与真正昆虫身体的韧性相媲美。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

陈宇峰团队在先前项目中已攻克许多硬件难题,成功研制出重量仅750毫克的耐用飞行器,单次续航可达1000秒。但它的控制器,即指导机器人行动的电子“大脑”,却带来了一个新难题。为实现空中加速、转向和翻转,飞行的微型机器人必须持续适应气流与摩擦力的微小变化,这需要一个能够处理不确定性的高效控制器。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

论文作者、MIT天体物理学家兼航空工程师Jonathan How通过设计管状模型预测控制器(MPC)解决了这一难题。How解释说,管状MPC在机器人的中心轨迹周围创造了一个管状的缓冲区,确保机器人不会因任何干扰撞到危险的区域。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

How补充道,该控制器真正的“核心技术”在于融入了一个神经网络—— 一种模拟真实果蝇中枢神经系统的计算机软件或算法。这种编程使控制器能快速规划最优路径,让机器人在空中“以一种不会自毁的方式”进行旋转。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

最终的设备直径仅4厘米,重量比一个回形针还轻,飞行速度几乎是现有微型机器人的5倍,加速能力则提高了两倍。它还可以在每秒160厘米的阵风下急转弯,令人印象最深刻的是,这个机器人可以在11秒内连续完成10次空翻。正如Phan所指出的那样,该机器人展示了“以前只能在真实昆虫身上观察到的速度、敏捷性和鲁棒性”。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

不过,该机器人仍存在若干局限。加拿大多伦多大学机器人学家Pakpong Chirarattananon坦言:“最突出的问题是连接线束的束缚。”他解释道,由于昆虫尺寸的电池很快会耗尽,设备必须连接外部电源,这限制了活动范围。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

绳子是一个长期的障碍,此外陈宇峰和How还希望设计出足够小的摄像头和其他传感器,可以安装在机器人上,这可能会使它在搜索和救援任务中具有价值。“如果发生地震,”陈宇峰解释说,“我们可以把这些微型机器人送到裂缝里。”aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

昆虫大小的飞行机器人也被视为辅助授粉的工具,但How认为,让机器人降落在娇嫩的花朵上可能过于冒险。他说:“我们很想这么做,但这超出了当前的技术水平。”aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.aea8716aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物,能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。长期以来,工程师一直致力于赋予同尺寸飞行机器人或无人机类似的敏捷性。如今,美国麻省理工学院(MIT)的科学家朝这一目标迈出了重要一步。他们研发的微型有翼机器人的速度与特技表现均超越所有前代机型,甚至逼近真正昆虫的敏捷度。12月3日,相关研究发表于《科学进展》。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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尽管近年来无人机等飞行器日益精密,但将其缩小至昆虫大小却异常棘手。“所有部件都需从零开始设计。”论文作者、MIT的工程物理学家陈宇峰(音)指出。微型电机效率会随尺寸缩小而降低,即使是微弱气流扰动,也会对扑翼和纤细关节造成负担——为减轻重量,这些部件通常设计得纤薄而精致。昆虫能毫发无损地撞击玻璃窗并抵御强风,但微型飞行机器人却没这么耐用,这是因为合成材料根本无法与真正昆虫身体的韧性相媲美。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

陈宇峰团队在先前项目中已攻克许多硬件难题,成功研制出重量仅750毫克的耐用飞行器,单次续航可达1000秒。但它的控制器,即指导机器人行动的电子“大脑”,却带来了一个新难题。为实现空中加速、转向和翻转,飞行的微型机器人必须持续适应气流与摩擦力的微小变化,这需要一个能够处理不确定性的高效控制器。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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不过,该机器人仍存在若干局限。加拿大多伦多大学机器人学家Pakpong Chirarattananon坦言:“最突出的问题是连接线束的束缚。”他解释道,由于昆虫尺寸的电池很快会耗尽,设备必须连接外部电源,这限制了活动范围。aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

绳子是一个长期的障碍,此外陈宇峰和How还希望设计出足够小的摄像头和其他传感器,可以安装在机器人上,这可能会使它在搜索和救援任务中具有价值。“如果发生地震,”陈宇峰解释说,“我们可以把这些微型机器人送到裂缝里。”aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.aea8716aUu速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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