圖片來源：Hoang Vu Phan
在機器人研究中，大自然一直是科學家們取經的對象。韓國建國大學的研究人員最近創造了一種會飛的機器人KUBeetle-S，靈感來自一種叫做獨角仙（Allomyrina dichotoma，雙叉犀金龜）的昆蟲，它是地球上最大的昆蟲之一。
獨角仙重約5 - 10克，翅膀載荷為40 N/m2，與昆蟲翅膀的平均載荷(通常約8 N/m2)相比，已經相當之高了。
「模仿甲蟲的飛行,我們首先開發了一個撲機制,可以創建一個大型撲角度和產生振補，以償KUBeetle-S的重量，就像它的靈感來自角甲蟲。」
領導這一研究的Hoon Cheol Park教授表示，「由於KUBeetle-S沒有在尾部安裝控制面，不像傳統的飛行器，它的拍動翅膀只能在拍動過程中改變翅膀的運動學來產生控制力矩。」
Park教授和他的同事在KUBeetle-S中安裝的控制力矩發生器可以改變機器人的機翼撲向左、右、前、後，最終實現它的垂直升力的改變方向，同時產生控制力矩。該發電機與輕型伺服電機機械集成，也可以通過控制板和基於研究人員開發的算法反饋控制系統進行電子控制。
就像它的靈感來源角甲蟲一樣，首次出現在《國際微型飛行器雜誌》上的KUBeetle-S能在多種運動方式之間切換，包括懸停飛行，其衝程振幅高達180度。在最近發表在預印本arXiv上的一篇論文中，研究人員還能夠通過使用低壓電源顯著提高它的飛行續航力。
「我們最近預發表在arXiv上的論文的主要目的是延長KUBeetle-S機器人的飛行時間或耐力。」Park教授解釋道，「我們選擇了一副空氣動力學效率高的翅膀，並擴大了翅膀面積，使之更像真正的昆蟲，從而延長了機器人的耐力。特別是，內側機翼區域被去除了。」
除了提高機器人翅膀的升力和升力功率比，Park教授和他的同事採用的設計策略降低了整體輸入電壓。此外，這允許研究人員在機器人馬達的工作範圍內使用單個LiPo電池，在一個低電壓電源下操作KUBeetle-S。
當使用這些新的設計策略時，研究人員進行了一系列的測試來評估KUBeetle-S的性能和耐久性。他們發現，低電壓操作可以防止驅動電機過熱，增強機器人的耐力。
「我們機器人的另一個關鍵優勢是它重量輕。」參與這項研究的另一位研究員Hoang Vu Phan表示，「由於我們在之前的工作中報告的簡單而有效的控制機制，我們可以使用微小的伺服器來減輕重量。重量15.8克的KUBeetle-S是目前為止最輕的雙翼機器人，它可以在所有機載部件的情況下自由控制飛行。」
第一個版本的KUBeetle-S重量為16.4g，由一個兩個LiPo 7.4 V電池供電。通過改變和擴大機器人的翅膀，研究人員能夠將其重量降至15.8克，將其總飛行時間從3分鐘提高到近9分鐘。
「我們的研究結果表明，找到一種空氣動力效率高的機翼對於延長飛行機器人的續航能力至關重要。」 Park教授說，「我們還發現，當KUBeetle-S的翅膀載荷接近真正的昆蟲時，它能飛得更久，這表明翅膀載荷是一個重要的參數，即使當我們模擬自然界的飛行時也是如此。」
除了提高機器人的耐力和增加它的飛行時間，Park、Phan和他們的同事們引入的新策略允許它向任何方向移動，在戶外飛行，並攜帶額外的有效載荷。這些特性使機器人更適合實際應用，比如將物體從一個地方移動到另一個地方。
在未來，KUBeetle-S還可以用來研究昆蟲，更好地理解它們運動背後的機制，比如在蒼蠅身上觀察到的快速傾斜轉彎。由於體積小，它甚至有可能被部署在自然棲息地，收集昆蟲和其它野生動物的鏡頭，或用於執行秘密軍事任務。
「在我們接下來的研究中，我們將專注於進一步延長機器人的飛行時間，並安裝車載視覺導航系統。」 Phan說，「我們還計劃看看是否可以提高飛行過渡的穩定性，例如，將它從快速向前飛行變為懸停，以及在有風乾擾的情況下提高機器人的飛行靈活性。最終目標將是KUBeetle-S的自動飛行。」
飛行機器人模仿昆蟲快速飛行
飛行動物通過拍動翅膀來獲得動力和控制飛行。這使得像昆蟲這樣的小飛蟲能夠盤旋在花朵附近，同時也能迅速逃離危險。
動物飛行一直吸引著生物學家的注意，他們不僅研究它們複雜的翅膀運動模式和空氣動力學，還研究它們在敏捷動作過程中的感覺和神經運動系統。近年來，會飛的動物也成為了機器人研究人員的靈感來源，他們試圖開發輕巧、高效、甚至可伸縮到昆蟲大小的飛行機器人。
2018年9月14日，由代爾夫特理工大學微型飛行器實驗室(MAVLab)的研究人員研發的一款靈感來自昆蟲的新型飛行機器人在《科學》雜誌上亮相。這是第一個自主的、自由飛行的、敏捷的撲翼機器人，它的性能無與倫比，設計簡單，易於生產。
與昆蟲一樣，機器人的翅膀每秒拍動17次，不僅產生保持在空中所需的升力，還通過對翅膀運動的微小調整來控制飛行。受到果蠅的啟發，該機器人的控制機制已被證明是非常有效的，允許它在原地懸停，並能靈活地向任何方向飛行。
「機器人最高時速25公裡/小時,甚至可以執行激進策略，如360度翻轉，像螺旋翻滾和桶滾。」這項研究的第一作者和機器人主設計師Matěj Karasek說，「此外，33釐米的翼展和29克的機器人擁有卓越的功率效率，以它的大小，充滿電的情況下，允許5分鐘的懸停飛行或超過1公裡的飛行範圍。」
由於機器人的飛行性能，加上它的可編程性，也使它非常適合研究昆蟲飛行。為此，代爾夫特理工大學與瓦赫寧根大學展開了合作。「
當我第一次看到機器人飛行時，我驚訝地發現它的飛行方式與昆蟲非常相似，尤其是在操控時。我馬上想到我們可以用它來研究昆蟲的飛行控制和動力學。由於Muijres教授之前對果蠅的研究，該團隊決定給機器人編程，以模仿昆蟲在高敏捷逃脫過程中的虛擬控制動作，比如避免被擊打的動作。
機器人的動作與在果蠅身上觀察到的非常相似。這個機器人甚至能夠演示果蠅如何控制轉彎角度，以最大限度地提高它們的逃脫能力。「與動物實驗不同，我們完全控制機器人的『大腦』。這讓我們能夠識別和描述一種新的被動空氣動力學機制，它可以幫助果蠅，也可能是其它飛行動物，在這些快速傾斜轉彎中引導它們的方向。」Karasek補充道。
2019年6月，哈佛大學的Noah Jafferis和他的同事開發出一個太陽能驅動的有翼機器人，這是當時最輕的不需要電源就能飛行的機器人。這個昆蟲機器人名為RoboBee X-Wing，重259毫克，有四個翅膀，每秒可以扇動170次。翼展3.5釐米，高6.5釐米。
它的翅膀由兩塊類似肌肉的板控制，當電流通過時，這兩塊板會收縮。它們由6塊微小的太陽能電池提供動力，每塊電池重10毫克，安置在機翼上方，以免幹擾飛行。
這個昆蟲機器人的翅膀在光照下開始拍打。Jafferis說，當時它只在實驗室中進行了測試，由滷素和LED燈的組合供電。該機器人需要三倍於自然陽光強度的光照，因此還不能飛到室外。
來自華盛頓大學的研究人員研製出一種重量為43毫克的機器人，它飛行時沒有任何活動部件，但仍需要外部電線供電。
與RoboBee X-Wing不同的是，這種由電力驅動的機器人使用電動力推進。電場產生帶電的空氣分子與中性空氣分子碰撞，產生向上的動量。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
本文來自： 前瞻網