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“昆虫无人机”:重量仅0.6克,每秒扇翅500次,碰撞后也能复飞
发布时间:2021-03-08 10:51 来源:DeepTech

每秒扇翅 500 次,重量仅 0.6 克,碰撞翻滚后也能立即复飞,这可不是某种昆虫,而是真真正正的人造无人机。

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图 | 飞行中的“昆虫无人机”(来源:受访者)

其大小好比一只大黄蜂,外观就像长着翅膀的磁带盒,身体主要由四部分组成:机身、传动装置、机翼铰链和机翼。

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图 | 本次研究中的“昆虫无人机”机器人(来源:受访者)

灵感来源于经常蛰我们的蚊子:如果蚊子趴在脸上,哪怕迅速拍它,它也有可能溜走,并能迅速飞回脸旁继续 “嗡嗡嗡” ,这固然令人讨厌,但也说明蚊子等小昆虫拥有极高的飞行弹性。再比如,一只果蝇倒立在天花板上时,40 毫秒内即可翻转过来。

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图 | “昆虫无人机”的机翼(来源:受访者)

昆虫的这些功能看似“不起眼”,但一直都难以在人造飞行机器人中实现,而前文的“昆虫无人机”,正是由麻省理工学院(MIT)电气工程与计算机科学系助理教授 Kevin Chen 研发出来的带有“昆虫功能”的人造飞行机器人。

相关论文已于近日发表在 IEEE Transactions on Robotics 杂志上,论文标题为《昆虫大小高灵敏、抗碰撞的弹性飞行器》(Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility)。

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图 | 相关论文(来源:受访者)

谈及研究初衷,Kevin Chen 表示很多无人机都非常大,且多数用于户外飞行。但是几乎没有可在复杂、混乱空间中飞行的昆虫大小的无人机。

他说,“昆虫无人机”的构造,完全不同于大型无人机,后者通常由电动机提供动力,把这种电动机缩小后并用在“昆虫无人机”中,其效率反而会降低,因此要给“昆虫无人机”寻找电动机的替代品

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图 | 起飞中的“昆虫无人机”(来源:受访者)

此前的主要替代方案,是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性执行器,但这种执行器非常脆弱,如果把它用于“昆虫无人机”,很难承受大约一秒一次的碰撞。为此,他们研发出一种新型弹性介电体驱动器。

“昆虫无人机”的 “心脏”:新型弹性介电体驱动器

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据悉,Kevin Chen 通过使用软驱动器,设计出一种弹性更好的新型弹性介电体驱动器,这种驱动器由薄橡胶圆柱体制成,圆柱体上包裹着碳纳米管。

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图 | 由驱动器提供动力的 665 mg “昆虫无人机”的透视图(来源:受访者)

当给碳纳米管输送电压时,静电压力就会产生,进而会挤压和拉长橡胶圆柱体,这种反复的挤压和拉长,可让“昆虫无人机”的翅膀快速扇动。

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图 | 振翅飞行(来源:受访者)

概括来说,驱动器是提升无人机性能的关键。在驱动器中,弹性体片材的长度、宽度和厚度分别为 8 毫米、50 毫米和 210 微米。在弹性体被卷成圆筒后,碳纤维帽被连接到两端,并能同时连接电气和机械。

制作过程中,该团队通过降低接触电阻、来提高电阻生产效率。总之,这种新的驱动器可在更高电压和更高频率条件下驱动,并且在共振和自由位移测试中表现更好。

最终设计出的驱动器,可让翅膀每秒钟拍动 500 次,无人机借此拥有真正类似昆虫的灵活性

在飞行时,如果你用手击中它,它也能像拍不死的蚊子一样,可在 0.16 秒内恢复飞行,此外还能进行空中翻腾等动作。

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图 | “昆虫无人机”扑翼运动特性研究(来源:受访者)

据悉,相比该团队之前的工作,本次设计的新型驱驱动器,其输出功率的密度相比以前提高了 100%,换能效率提高 560%。

概括来说,驱动器好比“昆虫无人机”的 “心脏”,搞定 “心脏” 后,他们开始设计无人机的其他 “器官”。

基于新的数据分析,他们重新设计了无人机的变速器、机翼铰链和机翼等,其中机翼的骨架材料是碳纤维,翅膀是聚酯纤维,看起来有蝉翼般的逼真感。

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图 | 图示位置为驱动器(来源:受访者)

最终诞生的“昆虫无人机”,除可以进行悬停飞行以外,还拥有 70 厘米 / 秒的上升速度。据该团队介绍,这一速度使得该无人机成为目前最快的软移动机器人之一。

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此外,该无人机的升力重量比为 2.2:1,这意味着它可携带约等于其重量的有效载荷。

经初步测试和计算,使用现成的锂聚合物电池(LiPo),可让无人机大约飞行 10–30 秒,其中无人机下面的合金线,主要用于供电。任智健告诉 DeepTech:“目前还是通过控制器输出信号,经过电压放大器增压之后给无人机供电。我们的下一步计划就是让无人机携带电池‘更加自由’地飞行。”

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图 | 无人机下面的金属线(来源:受访者)

“昆虫无人机”的设计:遇到碰撞依旧能 “活下来”

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图 | “昆虫无人机”设计(来源:受访者)

比起此前工作,本次机器人的传输长度从 400 微米增加到 500 微米,铰链尺寸分别调整为 2.05 毫米和 0.10 毫米。

其中,铰链由 12.7 微米厚的聚酰亚胺薄膜制成。新的驱动器、机器人变速箱和机翼铰链“强强联合”,相比此前工作,该无人机的净升力提高 83%。

他们还进一步改进了机翼设计,从而让无人机可在更大气动载荷下工作,并能在遇到碰撞时 “活下来”。


图 | 无惧碰撞(来源:受访者)

在提高机翼刚度上,该团队使用了一种新型碳纤维。他们还对翼根位置进行了修改,飞机内梁由曲线设计、变为直线设计,这样可提高机翼的碰撞鲁棒性。

另外,机翼的前缘翼梁和对角翼梁,都与碳纤维的方向对齐,这样可增加机翼的刚度,从而帮助无人机在遇到碰撞时可以恢复飞行、以及做出空翻等动作。

在飞行展示中,他们还发现该无人机可实现可控的悬停飞行,如下图,这是无人机在飞行中出现 10 秒悬停的图像序列。

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图 | 悬停的“昆虫无人机”(来源:受访者)

在这次 10 秒的悬停飞行中,高度误差小于 0.5 厘米,xy 平面的漂移小于 4 厘米。


图 | 悬停(来源:受访者)

在悬停飞行期间,驱动器的输入电压幅度在悬停条件下缓慢变化,电压上下浮动为 20V。相反,在机身快速翻转过程中,驱动器的电压幅度在 2-3 次拍打翅膀(60 毫秒)时,将从近 2000V 下降到 200V 以下。

大幅的电压变化,会给驱动器带来极大的瞬时应变,但由于驱动器由弹性体制成,因此承受力比刚性驱动器更强

为展示无人机的敏捷性,他们还进行了受控上升飞行,拟合结果表明,无人机的上升速度达到 70 厘米每秒,相比他们之前的工作,其最大上升速度提高了两倍以上。

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图 | 受控上升飞行测试(来源:受访者)

除了演示悬停和上升飞行,该无人机还可通过反馈控制,从飞行中的碰撞中恢复。下图 a–c 显示了第一次碰撞恢复演示,演示中他们将无人机向下推,但这种扰动对其影响可以忽略不计。

无人机被击中后,机身高度降低 4 厘米,然后它逐渐回到悬停设定点。这说明,在飞行干扰中,“昆虫无人机”有足够的控制能力和恢复能力。

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图 | 碰撞演示(来源:受访者)

期间,为验证无人机的空翻能力,他们做了五次实验。

图 | 空翻(来源:受访者)

据悉,空翻演示需要驱动器来处理输入信号的巨量瞬时变化。

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图 | “昆虫无人机”空翻飞行演示(来源:受访者)

谈及应用,任智健表示:“它基本可用于目前所有无人机的应用场景,在搜救和探索上,可进入更加狭小封闭的空间。其他应用领域还有野生自然环境的考察、农作物授粉等。受益于仿生和微型的优势,这款无人机基本不会干扰到野生动物。”

他补充称:“最近的毅力号火星车上搭载了最新的无人机,由于大气稀薄,必须增加成倍的转速才能起飞运作。而我们此次设计的软体介电驱动器,在高频运动上比传统电机更有优势,同时在低重力环境下,也不影响无人机的飞行。”

两地成团,均为华裔或华人完成

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该研究主要由 Kevin Chen、以及 Kevin Chen 的学生任智健、哈佛大学软机器人学在读博士生 Siyi Xu、香港城市大学生物医学工程系副教授 Pakpong Chirarattananon 等人完成。

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图 | 该论文的研究团队,相关主页:https://www.rle.mit.edu/smrl/(来源:受访者)

其中,Kevin Chen 曾在哈佛大学微机器人实验室负责人 Robert J. Wood 教授的指导下获得了哈佛大学工程科学博士学位。他的工作重点是开发能够在海陆空之间移动和转换的昆虫级机器人。他的此次研究,等于毕业后再次和自己的导师合作。

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图 | 任智健(来源:受访者)

任智健今年 26 岁,是本次论文的第三作者,他是一位上海小伙,师从 Kevin Chen 之前,曾在卡内基梅隆大学获得机械工程硕士学位,更早之前在上海交通大学获得自动化学士学位。他告诉 DeepTech:“因为疫情的关系,我去年暑假远程协助了这篇文章部分数据处理和分析的工作,看到无人机成功翻跟斗的动作时我感觉自己离梦想又更近了一步。”

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