從蚊子夜間飛行啟發新型無人機避障系統

2020-12-05 卓弈雲

研究人員從蚊子在黑暗中飛行和著陸的能力中吸取了靈感,開發出一種新的避免碰撞感官系統,該系統已在四軸飛行器上進行了測試。由倫敦皇家獸醫學院(RVC)的Richard Bomphrey教授領導的國際科學家團隊研究了雄性庫蚊(Culex quinquefasciatus)蚊子的感覺機制,並找到了一種模仿昆蟲利用氣流檢測障礙物能力的方法。

在戶外睡覺的一個令人抓狂的事情是,通常很難知道是否有蚊子降落到您身上,直到它餐後才消失。造成這種情況的原因有很多,但是重要的一個原因是,即使在漆黑的黑暗中,蚊子也可以非常輕微地著陸。

他們通過機械感測來解決這一問題,機械感測是對機械刺激的響應,使他們無需使用眼睛即可感知障礙。與通過生物聲吶系統導航的蝙蝠不同,蚊子使用了它們的翅膀,觸角和氣流。

根據研究小組的說法,蚊子通過迅速拉動其細長的翅膀而飛行,從而產生快速的空氣噴射,從而產生升力。如果這些噴流遇到障礙物,這些氣流模式就會改變形狀,這可以通過蚊子觸角底部稱為約翰斯頓氏器官的一系列接收器檢測到。這使昆蟲可以使用「空氣動力學成像」來繪製周圍環境的圖片,從而可以繪製出地面和其他障礙物所在的位置。

為了了解蚊子如何做到這一點,研究小組對其飛行進行了高速記錄,然後使用計算流體動力學模擬對其進行了分析。他們發現,約翰斯頓氏的器官處於測量模式變化的理想位置,因為壓力差在蚊子的頭頂上方最大,並且在低海拔下效果最佳。

蚊子正在利用地面效應,這是飛機從地面以兩個機翼長度飛行時通常會遇到的升力和氣動阻力的增加。當模擬考慮到這一點時,研究人員發現庫蚊蚊子可以檢測到超過20個機翼長度的表面-比以前想像的要遠得多。

然後,研究小組利用這些發現為微型四軸飛行器安裝了具有生物啟發性的傳感器設備,從而提供了氣動成像。該設備由一系列探頭管組成,這些探頭管連接到壓差傳感器上,以實現最大靈敏度。經過一系列的測試飛行後,然後允許四軸飛行器自主飛行。

研究小組發現,四軸飛行器可以探測到足夠的距離的表面,而無需進行數據處理或幾乎不需要數據處理就可以避免地面或牆壁。此外,新系統據說重量輕,功率效率高且可擴展。

研究人員說:「了解如此大量的昆蟲對於如何在世界各地航行很重要。」 「未來,飛行和無人駕駛飛機會做更多的工作,那麼從蚊子身上汲取一些靈感可能會很有用,以使我們的機器在靠近建築物或其他基礎設施的地方運行時更安全。

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