4.21克機(jī)器人是怎樣飛起來(lái)的

 

靜電飛行器示意圖。北京航空航天大學(xué)供圖

 

 

這只“甲蟲(chóng)”機(jī)器人比礦泉水瓶蓋還小。中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 張渺/攝

 

 

靜電飛行器的結(jié)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)供圖

 

 

微型機(jī)器人未來(lái)可以像真實(shí)昆蟲(chóng)一樣在野外自由移動(dòng)，并執(zhí)行特殊任務(wù)。北京航空航天大學(xué)供圖

 

從幾百噸的飛機(jī)到幾千克的無(wú)人機(jī)，許多人或許會(huì)認(rèn)為，越輕的東西越容易飛起來(lái)。事實(shí)上，當(dāng)飛行器重量小于10克時(shí)，其飛行時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。微型機(jī)器人的飛行時(shí)長(zhǎng)及其動(dòng)力問(wèn)題，是擺在研究者面前的一道難題。

 

5月8日，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授閆曉軍團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果，發(fā)表于《自然》子刊。該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種用于昆蟲(chóng)機(jī)器人的微型動(dòng)力系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)，研制了一種快速機(jī)動(dòng)、高載重、無(wú)線可控的微型機(jī)器昆蟲(chóng)。

 

兩個(gè)月后，團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)關(guān)于微型飛行器的研究成果，于7月18日在線發(fā)表于《自然》主刊，并同時(shí)獲得《自然》和《科學(xué)》雙頂刊官網(wǎng)的首頁(yè)推薦。

 

這個(gè)只有4.21克的小家伙，就是目前世界上最輕、最小的純自然光供能微型飛行器，名為靜電飛行器“CoulombFly”。

 

比一張A4紙還要輕的飛行器

 

即使是再小的飛行器，想要飛起來(lái)，也必須有發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的動(dòng)力。擺在研究者面前的矛盾之處就在于，目前微型飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部件，一般采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)。但是，電磁電機(jī)在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大，能量轉(zhuǎn)化效率會(huì)急劇下降，甚至降到10%以下。

 

微型電磁電機(jī)效率下降后，如果采用供電方便的自然光作為能量來(lái)源，受限于太陽(yáng)能電池的面積，很難滿足飛行需求，“飛行器就無(wú)法飛起來(lái)”。

 

如今，北航團(tuán)隊(duì)自主研制的靜電飛行器，翼展20厘米，重4.21克，整機(jī)僅有巴掌大小，比一張A4紙還要輕。該項(xiàng)研究成果由北航科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，將大幅增加微型飛行器的飛行時(shí)長(zhǎng)，拓展其應(yīng)用范圍。

 

與此同時(shí)，閆曉軍團(tuán)隊(duì)研發(fā)的另一種用于昆蟲(chóng)機(jī)器人的微型動(dòng)力系統(tǒng)，可以用于仿生機(jī)器“昆蟲(chóng)”。這種昆蟲(chóng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了快速機(jī)動(dòng)、高載重、無(wú)線可控，能應(yīng)用于災(zāi)后救援、大型機(jī)械裝備檢修等場(chǎng)景。

 

無(wú)論是昆蟲(chóng)機(jī)器人還是微型飛行器，最初的概念，都源于一根微微顫振的細(xì)梁。

 

“在靜電場(chǎng)環(huán)境中放置一根梁，該梁極其細(xì)微，其直徑僅為二十幾微米，這根梁會(huì)像頭發(fā)絲一樣，在靜電場(chǎng)中顫振，這就是‌微梁靜電顫振現(xiàn)象。我是研究動(dòng)力的，2009年，我在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，想利用這個(gè)現(xiàn)象做點(diǎn)兒什么。”閆曉軍向中青報(bào)·中青網(wǎng)記者解釋。

 

從這根顫振的微梁開(kāi)始發(fā)散思維，閆曉軍迅速聯(lián)想到，“昆蟲(chóng)飛的原理也是一種振動(dòng)”。‌微梁靜電顫振現(xiàn)象，或許能夠成為微型飛行器的動(dòng)力與推進(jìn)的解題思路，從一根微梁，成為一個(gè)最終能夠飛起來(lái)的機(jī)器人。

 

閆曉軍開(kāi)始探索將微梁顫振機(jī)制應(yīng)用于微型飛行器或微小型昆蟲(chóng)機(jī)器人等領(lǐng)域的可能性，他當(dāng)時(shí)的博士生漆明凈、劉志偉先后轉(zhuǎn)到此方向，圍繞這一現(xiàn)象開(kāi)展了研究。漆明凈博士畢業(yè)后留校任教，繼續(xù)在閆曉軍團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行相關(guān)研究。此后，在研發(fā)靜電電機(jī)的申威和研發(fā)升壓系統(tǒng)的彭謹(jǐn)哲兩位博士生共同努力下，團(tuán)隊(duì)取得了突破性進(jìn)展。

 

申威是漆明凈的博士研究生，在北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，他向中青報(bào)·中青網(wǎng)記者展示了能夠起飛的靜電電機(jī)。在細(xì)小的嗡鳴聲中，巴掌大小的微型飛行器輕輕向上飛起。

 

就是這種基于靜電電機(jī)原理的微型飛行器，登上了《自然》和《科學(xué)》雙頂刊官網(wǎng)的首頁(yè)。

 

從爬行到起飛

 

北航博士生、團(tuán)隊(duì)成員詹文成也給中青報(bào)·中青網(wǎng)記者展示了團(tuán)隊(duì)最新的成果。擁有黑色外殼的“甲蟲(chóng)”，看上去還沒(méi)有一個(gè)礦泉水瓶蓋大，在復(fù)雜的微縮地形測(cè)試中，小巧的昆蟲(chóng)機(jī)器人展現(xiàn)出驚人的靈活性與適應(yīng)性，四條細(xì)長(zhǎng)的腿靈活擺動(dòng)，在障礙物中間來(lái)回穿梭，宛如真正的甲蟲(chóng)。

 

據(jù)詹文成介紹，昆蟲(chóng)機(jī)器人體內(nèi)植入了能源、控制、通信和傳感系統(tǒng)，能夠通過(guò)精密的傳感器與智能算法，精準(zhǔn)識(shí)別并避開(kāi)障礙，執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了仿生奔跑步態(tài)，讓這只機(jī)械甲蟲(chóng)能夠進(jìn)行步頻和步幅的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，即使在高載重的情況下，也能夠快速爬行。

 

“承載能力有很大的突破，它的自重是0.3克，可以在帶一個(gè)2克重物的情況下，每秒大概爬行40厘米。”詹文成說(shuō)。“目前我們最復(fù)雜的是一套視覺(jué)傳感系統(tǒng)，重量大概是1.5克。”

 

這只碳纖維“甲蟲(chóng)”每一個(gè)細(xì)微的動(dòng)作背后，都積累了團(tuán)隊(duì)在微機(jī)電系統(tǒng)、人工智能算法及仿生學(xué)設(shè)計(jì)上15年的心血。從最早的機(jī)理研究，到后來(lái)慢慢拓展至驅(qū)動(dòng)器的研究，再慢慢拓展到整機(jī)。這項(xiàng)研究跨越了力學(xué)、電學(xué)、控制學(xué)和機(jī)器人等多個(gè)學(xué)科，且在初期面臨設(shè)備缺乏和經(jīng)驗(yàn)不足的挑戰(zhàn)。

 

用閆曉軍的話說(shuō)，這個(gè)過(guò)程可謂“篳路藍(lán)縷”。

 

“我們最早設(shè)計(jì)昆蟲(chóng)機(jī)器人，其實(shí)是想讓它飛起來(lái)的。但是目前微型機(jī)器人如果使用大容量電池，重量過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法飛起來(lái)；如果用小容量電池，則無(wú)法提供足夠的能量讓其飛起來(lái)，所以最后就轉(zhuǎn)而做成了爬行的。”閆曉軍略顯遺憾地說(shuō)。

 

為了讓“甲蟲(chóng)”能飛起來(lái)，閆曉軍和團(tuán)隊(duì)其他成員找來(lái)生物學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)，仔細(xì)研究；又找來(lái)了一些昆蟲(chóng)紀(jì)錄片，包括蜜蜂、蜻蜓等，一幀一幀研究昆蟲(chóng)飛行的姿態(tài)和軌跡。

 

他們甚至買(mǎi)來(lái)蜜蜂，在實(shí)驗(yàn)室里觀察它的翅膀如何扇動(dòng)。

 

“蜜蜂的話，我們主要是收集翅膀的振動(dòng)參數(shù)，比如翅膀來(lái)回?cái)[動(dòng)的最大角，一般是120度。還有它擺動(dòng)的頻率，一秒大概是200多赫茲。它的翅膀不但會(huì)振動(dòng)，還會(huì)扭動(dòng)，我們也會(huì)統(tǒng)計(jì)它的扭轉(zhuǎn)角，大概是45度。”詹文成說(shuō)。

 

然而，團(tuán)隊(duì)盡最大努力，仿制的翅膀仍然未能實(shí)現(xiàn)像蜜蜂翅膀那么大的升力。

 

“還有成員不小心，被蜜蜂蜇了。”閆曉軍苦笑著說(shuō)，“一開(kāi)始，我們以為是翅膀振動(dòng)的軌跡有問(wèn)題。研究過(guò)昆蟲(chóng)紀(jì)錄片之后，軌跡做對(duì)了，升力還是不夠。我們現(xiàn)在就卡在了這個(gè)環(huán)節(jié)。電路之類的，我們都已經(jīng)用到極致了，都是非常小的。”

 

盡管不能飛，團(tuán)隊(duì)的這只“甲蟲(chóng)”仍然在微型機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。

 

傳統(tǒng)微型機(jī)器人內(nèi)部空間不足以承載大容量電池，必須通過(guò)外接電源持續(xù)供電，無(wú)法自由移動(dòng)。而北航科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了基于直線式驅(qū)動(dòng)、柔性鉸鏈傳動(dòng)的新型動(dòng)力系統(tǒng)，“甲蟲(chóng)”擺脫了尾巴一樣的電線，每充電2分鐘，就可以自由奔跑10分鐘。

 

在研究的路上不斷試錯(cuò)

 

團(tuán)隊(duì)沒(méi)有放棄讓昆蟲(chóng)機(jī)器人飛起來(lái)的夢(mèng)想。

 

整個(gè)課題組分成了幾個(gè)不同的小組，分別研究不同的技術(shù)方案，以尋求最優(yōu)的工程解決方案。團(tuán)隊(duì)成員、北航副教授劉志偉帶著博士生詹文成繼續(xù)研究昆蟲(chóng)機(jī)器人，漆明凈則轉(zhuǎn)向了靜電電機(jī)方向的研究。

 

“在我們學(xué)校，每個(gè)學(xué)生可能都會(huì)對(duì)飛行有一些憧憬，但是想自己研發(fā)出飛行的系統(tǒng)真的很難。我們嘗試了很多種驅(qū)動(dòng)方式，都比較難。最后我們嘗試了靜電電機(jī)的構(gòu)建，這個(gè)不是像微梁那樣來(lái)回振動(dòng)，而是旋轉(zhuǎn)式。這樣的話，功率輸出就不受限了。”申威解釋。

 

據(jù)介紹，微型飛行器小體積、輕質(zhì)量、高機(jī)動(dòng)，能夠在狹小空間執(zhí)行拍照、探測(cè)和運(yùn)輸?shù)忍胤N任務(wù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。

 

為了解決驅(qū)動(dòng)和續(xù)航的難題，團(tuán)隊(duì)從微型發(fā)動(dòng)機(jī)的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅(qū)動(dòng)方案，研制出了在微小尺寸下轉(zhuǎn)速低、發(fā)熱小、效率高的微型靜電電機(jī)，并成功試飛靜電飛行器。

 

“靜電電機(jī)的概念幾百年前就有了，比電池電機(jī)出現(xiàn)得更早，但是一直沒(méi)有被利用起來(lái)，其理論方向也有些偏差。經(jīng)過(guò)我們的改進(jìn)和重新構(gòu)建，把它的輸出功率提高了很多，從而能夠?qū)崿F(xiàn)飛行。”申威說(shuō)。

 

據(jù)了解，這種新型微型飛行器主要由靜電發(fā)動(dòng)機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源組成，具備0.568瓦的低功耗和30.7克每瓦的高升力優(yōu)勢(shì)，首次實(shí)現(xiàn)了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。

 

盡管在靜電電機(jī)的方向上有了突破，但閆曉軍告訴記者，團(tuán)隊(duì)仍然不會(huì)放棄讓“甲蟲(chóng)”飛起來(lái)這件事。

 

“我們還在探索各種各樣的技術(shù)方案，包括增大振動(dòng)頻率、改變驅(qū)動(dòng)方案等，都不會(huì)放棄。”閆曉軍提到，自己的導(dǎo)師聶景旭教授懷揣著“空天報(bào)國(guó)”的熱情投身航空事業(yè)，搞研究“特別執(zhí)著”，每次提出的方案都“非常巧妙，充滿了智慧”。這種執(zhí)著的精神，鼓舞著一代一代的北航人，點(diǎn)燃了他們的科研興趣。在閆曉軍看來(lái)，如今團(tuán)隊(duì)中的這些博士生，也都有著同樣的熱情和執(zhí)著。

 

“搞發(fā)動(dòng)機(jī)研制這條路，需要有一顆熱愛(ài)的心，堅(jiān)持去試錯(cuò)，直到走通。”他說(shuō)。（張渺）