4.21克機(jī)器人是怎樣飛起來的
編輯: 左妍冰 | 時(shí)間: 2024-08-05 11:22:29 | 來源: 中國(guó)青年報(bào) |
靜電飛行器示意圖。北京航空航天大學(xué)供圖
這只“甲蟲”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)器人未來可以像真實(shí)昆蟲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)到幾千克的無人機(jī),許多人或許會(huì)認(rèn)為,越輕的東西越容易飛起來。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10分鐘。微型機(jī)器人的飛行時(shí)長(zhǎng)及其動(dòng)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(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、無線可控的微型機(jī)器昆蟲。
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,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(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)的另一種用于昆蟲機(jī)器人的微型動(dòng)力系統(tǒng),可以用于仿生機(jī)器“昆蟲”。這種昆蟲機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了快速機(jī)動(dòng)、高載重、無線可控,能應(yīng)用于災(zāi)后救援、大型機(jī)械裝備檢修等場(chǎng)景。
無論是昆蟲機(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始發(fā)散思維,閆曉軍迅速聯(lián)想到,“昆蟲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)最終能夠飛起來的機(jī)器人。
閆曉軍開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。
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”,看上去還沒有一個(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),在障礙物中間來回穿梭,宛如真正的甲蟲。
據(jù)詹文成介紹,昆蟲機(jī)器人體內(nèi)植入了能源、控制、通信和傳感系統(tǒng),能夠通過精密的傳感器與智能算法,精準(zhǔn)識(shí)別并避開障礙,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。“目前我們最復(fù)雜的是一套視覺傳感系統(tǒng),重量大概是1.5克。”
這只碳纖維“甲蟲”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,這個(gè)過程可謂“篳路藍(lán)縷”。
“我們最早設(shè)計(jì)昆蟲機(jī)器人,其實(shí)是想讓它飛起來的。但是目前微型機(jī)器人如果使用大容量電池,重量過大導(dǎo)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,所以最后就轉(zhuǎn)而做成了爬行的。”閆曉軍略顯遺憾地說。
為了讓“甲蟲”能飛起來,閆曉軍和團(tuán)隊(duì)其他成員找來生物學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn),仔細(xì)研究;又找來了一些昆蟲紀(jì)錄片,包括蜜蜂、蜻蜓等,一幀一幀研究昆蟲飛行的姿態(tài)和軌跡。
他們甚至買來蜜蜂,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。
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,“一開始,我們以為是翅膀振動(dòng)的軌跡有問題。研究過昆蟲紀(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”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,必須通過外接電源持續(xù)供電,無法自由移動(dòng)。而北航科研團(tuán)隊(duì)開發(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”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)沒有放棄讓昆蟲機(jī)器人飛起來的夢(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,但是一直沒有被利用起來,其理論方向也有些偏差。經(jīng)過我們的改進(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。
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”飛起來這件事。
“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,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,需要有一顆熱愛的心,堅(jiān)持去試錯(cuò),直到走通。”他說。(張渺)
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