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研究人员介绍了新一代微型敏捷无人机

2021-03-04 20:13:41

如果您曾经将蚊子从脸上拍下来,只是让它再次(一次又一次)返回,您就会知道昆虫在飞行中可能具有极高的杂技和弹性。这些特征帮助他们在狂风,障碍和普遍不确定性的条件下驾驭空中世界。这样的特征也很难在飞行机器人中建立,但是麻省理工学院的助理教授凯文·玉峰陈已经建立了一种接近昆虫敏捷性的系统。

Chen是电气工程和计算机科学系的成员,也是电子研究实验室的成员,他已经开发出具有前所未有的灵活性和灵活性的昆虫大小的无人机。该空中机器人是由一类新的软启动器,这使他们能够承受的真实世界飞行物理辛苦供电。陈希望机器人能够有一天通过给作物授粉或在狭窄的地方进行机械检查来帮助人类。

Chen的工作本月发表在《IEEE Transactions on Robotics》杂志上。他的合著者包括麻省理工学院的博士学位。哈佛大学学生任志坚博士 徐思宜和香港城市大学的机器人专家Pakpong Chirarattananon。

通常,无人机需要宽阔的开放空间,因为它们既不够灵活以在狭窄的空间中导航,又没有足够的坚固性以承受人群中的碰撞。“如果我们今天看大多数无人机,它们通常会很大,” Chen说。“它们的大多数应用都涉及到户外飞行。问题是:您能创造出可以在非常复杂,混乱的空间中移动的昆虫规模的机器人吗?”

Chen表示:“建造小型空中机器人的挑战是巨大的。” 品脱大小的无人机需要与大型无人机完全不同的构造。大型无人机通常由电动机提供动力,但是电动机在收缩时会降低效率。因此,陈说,对于像昆虫的机器人,“您需要寻找替代品”。

迄今为止,主要的替代方案是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性执行器。尽管压电陶瓷允许第一代微型机器人飞行,但它们非常脆弱。这是一个问题,当您要构建一个模仿昆虫的机器人时,觅食大黄蜂大约每秒遭受一次碰撞。

Chen设计了一种更具弹性的微型无人机,使用的是软致动器,而不是硬而易碎的致动器。软执行器由涂有碳纳米管的薄橡胶圆筒制成。当电压施加到碳纳米管时,它们会产生静电力,从而挤压并拉长橡胶筒。反复的伸长和收缩会导致无人机的机翼跳动-快速。

Chen的执行器每秒可拍动近500次,使无人机具有像昆虫一样的弹性。“您可以在飞行时将其击中,然后可以恢复,” Chen说。“它也可以像空中翻腾一样进行激进的演习。” 它的重量仅为0.6克,大约是一只大黄蜂的质量。这架无人机看起来有点像一条带翼的小盒式磁带,尽管陈正在研发一种形状像蜻蜓的新原型机。

康奈尔大学电气与计算机工程学助理教授法雷尔·赫尔布林(Farrell Helbling)说:“使用厘米级的机器人实现飞行始终是一项令人印象深刻的壮举。” “由于软执行器固有的柔韧性,该机器人可以安全地撞入障碍物而不会大大抑制飞行。此功能非常适合在混乱,动态的环境中飞行,并且对于许多实际应用都是非常有用的。”

Helbling补充说,实现这些应用的关键一步将是使机器人摆脱有线电源的束缚,这是执行器目前的高工作电压所必需的。“我很高兴看到作者将如何降低工作电压,以便他们有一天能够在现实环境中实现不受束缚的飞行。”

建立像昆虫一样的机器人可以为昆虫飞行的生物学和物理学提供一个窗口,这是研究人员长期研究的途径。Chen的工作通过一种逆向工程解决了这些问题。他说:“如果您想学习昆虫如何飞翔,建立一个规模化的机器人模型将非常有启发性。” “您可以扰动一些事物,并观察它如何影响运动学或流体力如何变化。这将帮助您了解这些事物是如何飞行的。” 但Chen的目标不只是添加昆虫学教科书。他的无人机在工业和农​​业中也很有用。

陈说,他的迷你航空家可以操纵复杂的机器,以确保安全和功能。“考虑检查涡轮发动机。您想要一架无人驾驶飞机用小型摄像头在[封闭空间]内移动,以检查涡轮板上的裂纹。”

其他潜在的应用包括农作物的人工授粉或在灾难后完成搜救任务。Chen说:“所有这些对于现有的大型机器人都是非常具有挑战性的。” 有时候,更大并不是更好。

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