MIT華人助理教授Kevin Chen成功造出能夠飛行的厘米級(jí)類昆蟲機(jī)器人，不僅能飛，還能翻筋斗，實(shí)現(xiàn)了仿生昆蟲無人機(jī)一大飛躍。在你面前飛來飛去的蚊子，你揮手趕走，它還會(huì)回來，一次又一次，讓你不勝其煩。但你是否注意到蚊子在來來回回中表現(xiàn)出的驚人的飛行能力和適應(yīng)力？隨時(shí)出現(xiàn)的一陣「風(fēng)」就可能把它們吹走，隨時(shí)可能撞上不明障礙物。。.。。.它們的環(huán)境充滿了不確定性，但正是這樣的生存環(huán)境讓它們變得無比敏捷，具有韌性。那么無人機(jī)能否從中借鑒一二呢？

近日，麻省理工學(xué)院的助理教授Kevin Yufeng Chen就設(shè)計(jì)出了接近昆蟲敏捷度的機(jī)器人系統(tǒng)。

類昆蟲無人機(jī)

一般情況下，無人機(jī)需要在戶外、開闊的地方操作，因?yàn)樗粔蛎艚荩绻臻g小，導(dǎo)航就會(huì)非常費(fèi)力，另外，無人機(jī)也非常脆弱，一旦發(fā)生碰撞很可能就「墜毀」了。而且，對(duì)于一些復(fù)雜、狹窄的環(huán)境，很多個(gè)頭大的無人機(jī)也無法施展拳腳。考慮到目前無人機(jī)這些限制，如果能造出類昆蟲的無人機(jī)——個(gè)頭小巧又敏捷，撞上障礙物也不影響飛行，那么無人機(jī)的應(yīng)用將大大增加。個(gè)頭大的無人機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是電動(dòng)機(jī)會(huì)因?yàn)榭s小而失去效率。這對(duì)小型甚至微型的無人機(jī)來說就不可能了，只能找替代品。

目前，最主要的替代方案是采用壓電陶瓷材料制成的小型剛性驅(qū)動(dòng)器。雖然壓電陶瓷已經(jīng)在第一代微型無人機(jī)上成功應(yīng)用，但它非常脆弱。哈佛大學(xué)威斯研究所設(shè)計(jì)的史上最輕飛行機(jī)器人機(jī)器蜜蜂RoboBees設(shè)計(jì)類昆蟲機(jī)器人，很重要的一個(gè)目的就是要讓它模仿昆蟲的韌性——能承受一定的碰撞，自然界覓食的大黃蜂遭受碰撞的概率大約每秒一次。Chen找到了一種替代品——涂有碳納米管的薄橡膠圓筒制成的軟驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)電壓施加到碳納米管上時(shí)，它們產(chǎn)生靜電力，使橡膠圓筒擠壓拉長(zhǎng)。反復(fù)的伸長(zhǎng)和收縮使機(jī)器人的翅膀快速振動(dòng)。這種軟驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)每秒500次拍動(dòng)，這就賦予了機(jī)器人昆蟲般的彈性。

由于軟驅(qū)動(dòng)器固有的柔順性，無人機(jī)就算受到撞擊，它也可以迅速反彈，飛行不會(huì)受到嚴(yán)重影響。這一特性非常適合在混亂、動(dòng)態(tài)的環(huán)境中飛行。不僅韌性強(qiáng)，Chen的類昆蟲無人機(jī)還可以表演翻跟斗，0.16秒內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。Chen的類昆蟲機(jī)器人只有0.6克，和一只大黃蜂的重量相當(dāng)。外形看起來有點(diǎn)像一個(gè)帶翅膀的小盒式磁帶。

康奈爾大學(xué)的電子和計(jì)算機(jī)工程助理教授Farrell Helbling表示，「厘米級(jí)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛行總是一項(xiàng)令人印象深刻的壯舉」。這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵步驟將是從有線電源解除無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，而網(wǎng)絡(luò)連接是目前所需的驅(qū)動(dòng)器提供高工作電壓。「期待看到作者將如何降低運(yùn)行電壓，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無線飛行。」這樣個(gè)頭小巧，行動(dòng)敏捷，韌性也高的無人機(jī)可以應(yīng)用在復(fù)雜機(jī)械的檢修（檢查渦輪機(jī)板的裂紋），農(nóng)作物授粉，或者自然災(zāi)害的搜救等環(huán)境中。

逆向工程解決生物學(xué)問題，同時(shí)，類昆蟲無人機(jī)可以為研究昆蟲飛行的生物學(xué)和物理學(xué)打開一扇窗戶，這也是研究人員長(zhǎng)期探索的一個(gè)課題。Chen的工作通過一種逆向工程的方式來解決昆蟲飛行問題。如果你想研究昆蟲如何飛行，建立一個(gè)機(jī)器人模型是非常有指導(dǎo)意義的，你可以擾亂一些東西，看看機(jī)器人如何影響運(yùn)動(dòng)學(xué)或流體力量的變化。這將有助于你理解昆蟲是如何飛行的。這次研究的相關(guān)論文發(fā)表在IEEE Xplore，論文作者還包括哈佛大學(xué)的博士生Siyi Xu，麻省理工學(xué)院的博士生Zhijian Ren，以及香港城市大學(xué)的機(jī)器人專家Pakpong chirarattanon.他一直從事昆蟲級(jí)機(jī)器人研究，曾登福布斯30歲以下精英榜

Kevin Yufeng Chen，2020年1月加入MIT電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，任助理教授。

他本科在康奈爾大學(xué)獲得應(yīng)用物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，在哈佛大學(xué)先后獲得文理學(xué)碩士和工程科學(xué)博士學(xué)位，博士學(xué)習(xí)師從機(jī)器人專家Robert J. Wood教授，上文中提到的機(jī)器蜜蜂RoboBee項(xiàng)目就是Wood教授帶領(lǐng)完成。

Robert J. Wood教授

隨后Chen在哈佛大學(xué)做博士后研究，引領(lǐng)了高度敏捷、多功能和堅(jiān)固的小型機(jī)器人的研發(fā)工作。他的研究成果發(fā)表在包括《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》，《自然》和《自然通訊》等頂級(jí)期刊上。他曾是2019年福布斯30位30歲以下精英榜（科學(xué)領(lǐng)域）一員，福布斯的介紹重點(diǎn)提及了他的類昆蟲機(jī)器人研究。他研究了毫米級(jí)的生物力學(xué)，提煉其中基本的物理原理，然后將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于微型機(jī)器人的新功能。他還對(duì)開發(fā)新的軟驅(qū)動(dòng)器以使微型機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)敏捷和穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)等研究感興趣。另外，論文作者之一哈佛博士生Siyi Xu，目前主要研究軟機(jī)器人。

另一名作者是MIT博士生Zhijian Ren
據(jù)Google Scholar的介紹，Ren目前主要研究軟機(jī)器人、仿生機(jī)器人和控制理論。還有香港城市大學(xué)的機(jī)器人專家、副教授Pakpong chirarattanon. 主要研究仿生機(jī)器人、微型飛行器、撲翼飛行等。

編輯：jq