微型扑翼机器人模仿昆虫飞行 最高时速可达25公里

Winnie Lee

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(图源:ScienceDaily)

由荷兰代尔夫特理工大学微型飞行器实验室(MAVLab)的研究人员开发的一种以昆虫为灵感的新型飞行机器人发表在《科学》杂志(2018年9月14日)上。

与瓦格宁根大学和研究中心合作进行的首次自主、灵活和自由飞行的扑翼机器人实验,提高了我们对果蝇如何控制攻击性逃跑动作的理解。

除了在昆虫飞行研究方面的进一步潜力外,该机器人出色的飞行质量也为无人机的应用开辟了新的领域。

飞行的动物通过拍打翅膀来控制飞行。

这使得小的自然飞行者,如昆虫,可以在花朵附近盘旋,但也可以迅速逃离危险,这是每个人在试图拍打苍蝇时都看到过的。

动物飞行一直吸引着生物学家的注意,他们不仅研究它们复杂的翅膀运动模式和空气动力学,还研究它们在这种灵活机动过程中的感觉和神经运动系统。

最近,飞行动物也成为机器人研究人员的灵感来源,他们试图开发轻巧的飞行机器人,灵活、节能,甚至可以扩展到昆虫的大小。

新型高度灵活的飞行机器人

代尔夫特理工大学的MAVLab研究人员开发出了一种新型昆虫飞行机器人;迄今为止,其性能无与伦比,但却是一个简单和易于生产的设计。

与飞行昆虫一样,机器人的翅膀每秒拍动17次,不仅产生了保持空中飞行所需的升力,还通过机翼运动的微小调整来控制飞行。

受果蝇的启发,这种机器人的控制机制已经被证明是非常有效的,它不仅可以在原地悬停,朝任何方向飞行,而且非常灵活。

“这款机器人最高时速可达25公里/小时,它甚至可以进行360度的翻转等攻击性动作,就像绕圈和滚桶一样。”

Karasek,该研究的第一作者,该机器人的主要设计师说道。

“此外,33厘米的翼展和29克重的机器人,以其大小和卓越的功率效率,允许在充满电的电池下飞行5分钟或超过1公里。”

果蝇逃跑演习研究

除了是一种新型的自主微型无人机,这种机器人的飞行性能,加上它的可编程性,也使得它非常适合研究昆虫飞行。

为此,代尔夫特理工大学与瓦格宁根大学进行了合作。

“当我第一次看到这个机器人飞行的时候,我惊讶地发现它的飞行和昆虫的飞行非常相似,尤其是在操纵的时候。”

来自瓦格宁根大学和研究学院实验动物学小组的弗洛里安·缪杰斯(Florian Muijres)教授说:“我立刻认为我们可以用它来研究昆虫的飞行控制和动力学。”

由于Muijres教授之前在果蝇上的工作,研究小组决定对机器人进行编程,模拟这些昆虫在高敏捷度的逃跑动作中所假设的控制动作,比如我们试图打它们时所使用的动作。

机器人的动作与果蝇的动作非常相似。该机器人甚至还能演示果蝇如何控制转弯角度以最大化它们的逃跑性能。

“与动物实验不同的是,我们完全可以控制机器人‘大脑’的活动。”

Karásek说:“这让我们能够识别和描述一种新的被动空气动力学机制,这种机制可以帮助苍蝇,也可能是其他的飞行动物,在快速倾斜转弯的过程中控制它们的方向。”

未来应用的潜力

在DelFly项目中,MAVLab已经开发了10多年以昆虫为灵感的飞行机器人。

MAVLab的科学领导者Guido de Croon教授说:“受昆虫启发的无人机具有很高的应用潜力,因为它们重量轻,在人类周围安全,而且比传统的无人机设计更有效率,尤其是在更小的尺度上。”

然而,直到现在,这些飞行机器人还没有意识到这种潜力,因为它们要么不够灵活——比如我们的DelFly II——要么需要一个过于复杂的制造过程。

在这项研究中,名为DelFly clever的机器人建立在已有的制造方法上,使用现成的部件,它的飞行耐力足够长,值得实际应用。

DelFly Nimble项目将在TTW项目中得到进一步发展,其目的是“像蜜蜂一样敏捷”,是代尔夫特理工大学和瓦格宁根大学的合作项目,由荷兰科学基金会NWO资助。

可行性研究报告

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