4.21克機器人是怎樣飛起來的

 

靜電飛行器示意圖。北京航空航天大學供圖

 

 

這只“甲蟲”機器人比礦泉水瓶蓋還小。中青報·中青網記者 張渺/攝

 

 

靜電飛行器的結構。北京航空航天大學供圖

 

 

微型機器人未來可以像真實昆蟲一樣在野外自由移動，並執行特殊任務。北京航空航天大學供圖

 

從幾百噸的飛機到幾千克的無人機，許多人或許會認為，越輕的東西越容易飛起來。事實上，當飛行器重量小于10克時，其飛行時間一般不超過10分鐘。微型機器人的飛行時長及其動力問題，是擺在研究者面前的一道難題。

 

5月8日，北京航空航天大學能源與動力工程學院教授閆曉軍團隊的一項研究成果，發表于《自然》子刊。該團隊發明瞭一種用於昆蟲機器人的微型動力系統，並以此為基礎，研製了一種快速機動、高載重、無線可控的微型機器昆蟲。

 

兩個月後，團隊的另一項關於微型飛行器的研究成果，于7月18日在線發表于《自然》主刊，並同時獲得《自然》和《科學》雙頂刊官網的首頁推薦。

 

這個只有4.21克的小傢夥，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，也必須有發動機提供足夠的動力。擺在研究者面前的矛盾之處就在於，目前微型飛行器的發動機驅動部件，一般採用傳統的電磁電機。但是，電磁電機在微型化後轉速高、發熱大，能量轉化效率會急劇下降，甚至降到10%以下。

 

微型電磁電機效率下降後，如果採用供電方便的自然光作為能量來源，受限于太陽能電池的面積，很難滿足飛行需求，“飛行器就無法飛起來”。

 

如今，北航團隊自主研製的靜電飛行器，翼展20釐米，重4.21克，整機僅有巴掌大小，比一張A4紙還要輕。該項研究成果由北航科研團隊自主研發，將大幅增加微型飛行器的飛行時長，拓展其應用範圍。

 

與此同時，閆曉軍團隊研發的另一種用於昆蟲機器人的微型動力系統，可以用於倣生機器“昆蟲”。這種昆蟲機器人實現了快速機動、高載重、無線可控，能應用於災後救援、大型機械裝備檢修等場景。

 

無論是昆蟲機器人還是微型飛行器，最初的概念，都源於一根微微顫振的細梁。

 

“在靜電場環境中放置一根梁，該梁極其細微，其直徑僅為二十幾微米，這根梁會像頭髮絲一樣，在靜電場中顫振，這就是‌微梁靜電顫振現象。我是研究動力的，2009年，我在實驗室中發現這一現象後，想利用這個現象做點兒什麼。”閆曉軍向中青報·中青網記者解釋。

 

從這根顫振的微梁開始發散思維，閆曉軍迅速聯想到，“昆蟲飛的原理也是一種振動”。‌微梁靜電顫振現象，或許能夠成為微型飛行器的動力與推進的解題思路，從一根微梁，成為一個最終能夠飛起來的機器人。

 

閆曉軍開始探索將微梁顫振機制應用於微型飛行器或微小型昆蟲機器人等領域的可能性，他當時的博士生漆明凈、劉志偉先後轉到此方向，圍繞這一現象開展了研究。漆明凈博士畢業後留校任教，繼續在閆曉軍團隊中進行相關研究。此後，在研發靜電電機的申威和研發升壓系統的彭謹哲兩位博士生共同努力下，團隊取得了突破性進展。

 

申威是漆明凈的博士研究生，在北航能源與動力工程學院的實驗室裏，他向中青報·中青網記者展示了能夠起飛的靜電電機。在細小的嗡鳴聲中，巴掌大小的微型飛行器輕輕向上飛起。

 

就是這種基於靜電電機原理的微型飛行器，登上了《自然》和《科學》雙頂刊官網的首頁。

 

從爬行到起飛

 

北航博士生、團隊成員詹文成也給中青報·中青網記者展示了團隊最新的成果。擁有黑色外殼的“甲蟲”，看上去還沒有一個礦泉水瓶蓋大，在複雜的微縮地形測試中，小巧的昆蟲機器人展現出驚人的靈活性與適應性，四條細長的腿靈活擺動，在障礙物中間來回穿梭，宛如真正的甲蟲。

 

據詹文成介紹，昆蟲機器人體內植入了能源、控制、通信和傳感系統，能夠通過精密的感測器與智慧演算法，精準識別並避開障礙，執行探測任務。團隊還設計了倣生奔跑步態，讓這只機械甲蟲能夠進行步頻和步幅的自適應調節，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2克重物的情況下，每秒大概爬行40釐米。”詹文成説。“目前我們最複雜的是一套視覺傳感系統，重量大概是1.5克。”

 

這只碳纖維“甲蟲”每一個細微的動作背後，都積累了團隊在微機電系統、人工智能演算法及倣生學設計上15年的心血。從最早的機理研究，到後來慢慢拓展至驅動器的研究，再慢慢拓展到整機。這項研究跨越了力學、電學、控制學和機器人等多個學科，且在初期面臨設備缺乏和經驗不足的挑戰。

 

用閆曉軍的話説，這個過程可謂“篳路藍縷”。

 

“我們最早設計昆蟲機器人，其實是想讓它飛起來的。但是目前微型機器人如果使用大容量電池，重量過大導致無法飛起來；如果用小容量電池，則無法提供足夠的能量讓其飛起來，所以最後就轉而做成了爬行的。”閆曉軍略顯遺憾地説。

 

為了讓“甲蟲”能飛起來，閆曉軍和團隊其他成員找來生物學的相關文獻，仔細研究；又找來了一些昆蟲紀錄片，包括蜜蜂、蜻蜓等，一幀一幀研究昆蟲飛行的姿態和軌跡。

 

他們甚至買來蜜蜂，在實驗室裏觀察它的翅膀如何扇動。

 

“蜜蜂的話，我們主要是收集翅膀的振動參數，比如翅膀來回擺動的最大角，一般是120度。還有它擺動的頻率，一秒大概是200多赫茲。它的翅膀不但會振動，還會扭動，我們也會統計它的扭轉角，大概是45度。”詹文成説。

 

然而，團隊盡最大努力，仿製的翅膀仍然未能實現像蜜蜂翅膀那麼大的升力。

 

“還有成員不小心，被蜜蜂蜇了。”閆曉軍苦笑著説，“一開始，我們以為是翅膀振動的軌跡有問題。研究過昆蟲紀錄片之後，軌跡做對了，升力還是不夠。我們現在就卡在了這個環節。電路之類的，我們都已經用到極致了，都是非常小的。”

 

儘管不能飛，團隊的這只“甲蟲”仍然在微型機器人領域實現了重大突破。

 

傳統微型機器人內部空間不足以承載大容量電池，必須通過外接電源持續供電，無法自由移動。而北航科研團隊開發出了基於直線式驅動、柔性鉸鏈傳動的新型動力系統，“甲蟲”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

 

團隊沒有放棄讓昆蟲機器人飛起來的夢想。

 

整個課題組分成了幾個不同的小組，分別研究不同的技術方案，以尋求最優的工程解決方案。團隊成員、北航副教授劉志偉帶著博士生詹文成繼續研究昆蟲機器人，漆明凈則轉向了靜電電機方向的研究。

 

“在我們學校，每個學生可能都會對飛行有一些憧憬，但是想自己研發出飛行的系統真的很難。我們嘗試了很多種驅動方式，都比較難。最後我們嘗試了靜電電機的構建，這個不是像微梁那樣來回振動，而是旋轉式。這樣的話，功率輸出就不受限了。”申威解釋。

 

據介紹，微型飛行器小體積、輕品質、高機動，能夠在狹小空間執行拍照、探測和運輸等特種任務，在國民經濟領域擁有廣泛應用前景。

 

為了解決驅動和續航的難題，團隊從微型發動機的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅動方案，研製出了在微小尺寸下轉速低、發熱小、效率高的微型靜電電機，並成功試飛靜電飛行器。

 

“靜電電機的概念幾百年前就有了，比電池電機出現得更早，但是一直沒有被利用起來，其理論方向也有些偏差。經過我們的改進和重新構建，把它的輸出功率提高了很多，從而能夠實現飛行。”申威説。

 

據了解，這種新型微型飛行器主要由靜電發動機和超輕質高壓電源組成，具備0.568瓦的低功耗和30.7克每瓦的高升力優勢，首次實現了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續飛行。

 

儘管在靜電電機的方向上有了突破，但閆曉軍告訴記者，團隊仍然不會放棄讓“甲蟲”飛起來這件事。

 

“我們還在探索各種各樣的技術方案，包括增大振動頻率、改變驅動方案等，都不會放棄。”閆曉軍提到，自己的導師聶景旭教授懷揣著“空天報國”的熱情投身航空事業，搞研究“特別執著”，每次提出的方案都“非常巧妙，充滿了智慧”。這種執著的精神，鼓舞著一代一代的北航人，點燃了他們的科研興趣。在閆曉軍看來，如今團隊中的這些博士生，也都有著同樣的熱情和執著。

 

“搞發動機研製這條路，需要有一顆熱愛的心，堅持去試錯，直到走通。”他説。（張渺）