这只“甲虫”机器人比矿泉水瓶盖还小。中青报·中青网 张渺/摄
静电翱翔器的构造。北京航空航天算夜学供图
微型机器人未来可以像真实昆虫一样在野外自由移动，并实行分外任务。北京航空航天算夜学供图
从几百吨的飞机到几千克的无人机，许多人或许会认为，越轻的东西越随意马虎飞起来。事实上，当翱翔看重量小于10克时，其翱翔韶光一样平常不超过10分钟。微型机器人的翱翔时长及其动力问题，是摆在研究者面前的一道难题。
5月8日，北京航空航天算夜学能源与动力工程学院教授闫晓军团队的一项研究成果，揭橥于《自然》子刊。该团队发明了一种用于昆虫机器人的微型动力系统，并以此为根本，研制了一种快速机动、高载重、无线可控的微型机器昆虫。
两个月后，团队的另一项关于微型翱翔器的研究成果，于7月18日在线揭橥于《自然》主刊，并同时得到《自然》和《科学》双顶刊官网的首页推举。
这个只有4.21克的小家伙，便是目前天下上最轻、最小的纯自然光供能微型翱翔器，名为静电翱翔器“CoulombFly”。
比一张A4纸还要轻的翱翔器
纵然是再小的翱翔器，想要飞起来，也必须有发动机供应足够的动力。摆在研究者面前的抵牾之处就在于，目前微型翱翔器的发动机驱动部件，一样平常采取传统的电磁电机。但是，电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率会急剧低落，乃至降到10%以下。
微型电磁电机效率低落后，如果采取供电方便的自然光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难知足翱翔需求，“翱翔器就无法飞起来”。
如今，北航团队自主研制的静电翱翔器，翼展20厘米，重4.21克，整机仅有巴掌大小，比一张A4纸还要轻。该项研究成果由北航科研团队自主研发，将大幅增加微型翱翔器的翱翔时长，拓展其运用范围。
与此同时，闫晓军团队研发的另一种用于昆虫机器人的微型动力系统，可以用于仿活气器“昆虫”。这种昆虫机器人实现了快速机动、高载重、无线可控，能运用于灾后接济、大型机器装备检修等场景。
无论是昆虫机器人还是微型翱翔器，最初的观点，都源于一根微微颤振的细梁。
“在静电场环境中放置一根梁，该梁极其细微，其直径仅为二十几微米，这根梁会像头发丝一样，在静电场中颤振，这便是微梁静电颤振征象。我是研究动力的，2009年，我在实验室中创造这一征象后，想利用这个征象做点儿什么。”闫晓军向中青报·中青网阐明。
从这根颤振的微梁开始发散思维，闫晓军迅速遐想到，“昆虫飞的事理也是一种振动”。微梁静电颤振征象，或许能够成为微型翱翔器的动力与推进的解题思路，从一根微梁，成为一个终极能够飞起来的机器人。
闫晓军开始探索将微梁颤振机制运用于微型翱翔器或眇小型昆虫机器人等领域的可能性，他当时的博士生漆明净、刘志伟先后转到此方向，环绕这一征象开展了研究。漆明净博士毕业后留校任教，连续在闫晓军团队中进行干系研究。此后，在研发静电电机的申威和研发升压系统的彭谨哲两位博士生共同努力下，团队取得了打破性进展。
申威是漆明净的博士研究生，在北航能源与动力工程学院的实验室里，他向中青报·中青网展示了能够起飞的静电电机。在眇小的嗡鸣声中，巴掌大小的微型翱翔器轻轻向上飞起。
便是这种基于静电电机事理的微型翱翔器，登上了《自然》和《科学》双顶刊官网的首页。
从爬行到起飞
北航博士生、团队成员詹文成也给中青报·中青网展示了团队最新的成果。拥有玄色外壳的“甲虫”，看上去还没有一个矿泉水瓶盖大，在繁芜的微缩地形测试中，小巧的昆虫机器人展现出惊人的灵巧性与适应性，四条苗条的腿灵巧摆动，在障碍物中间来回穿梭，宛如真正的甲虫。
据詹文成先容，昆虫机器人体内植入了能源、掌握、通信和传感系统，能够通过精密的传感器与智能算法，精准识别并避开障碍，实行探测任务。团队还设计了仿生奔跑步态，让这只机器甲虫能够进行步频和步幅的自适应调节，纵然在高载重的情形下，也能够快速爬行。
“承载能力有很大的打破，它的自重是0.3克，可以在带一个2克重物的情形下，每秒大概爬行40厘米。”詹文成说。“目前我们最繁芜的是一套视觉传感系统，重量大概是1.5克。”
这只碳纤维“甲虫”每一个细微的动作背后，都积累了团队在微机电系统、人工智能算法及仿生学设计上15年的心血。从最早的机理研究，到后来逐步拓展至驱动器的研究，再逐步拓展到整机。这项研究超过了力学、电学、掌握学和机器人等多个学科，且在初期面临设备缺少和履历不敷的寻衅。
用闫晓军的话说，这个过程可谓“筚路蓝缕”。
“我们最早设计昆虫机器人，实在是想让它飞起来的。但是目前微型机器人如果利用大容量电池，重量过大导致无法飞起来；如果用小容量电池，则无法供应足够的能量让其飞起来，以是末了就转而做成了爬行的。”闫晓军略显遗憾地说。
为了让“甲虫”能飞起来，闫晓军和团队其他成员找来生物学的干系文献，仔细研究；又找来了一些昆虫记录片，包括蜜蜂、蜻蜓等，一帧一帧研究昆虫翱翔的姿态和轨迹。
他们乃至买来蜜蜂，在实验室里不雅观察它的翅膀如何扇动。
“蜜蜂的话，我们紧张是网络翅膀的振动参数，比如翅膀来回摆动的最大角，一样平常是120度。还有它摆动的频率，一秒大概是200多赫兹。它的翅膀不但会振动，还会扭动，我们也会统计它的旋转角，大概是45度。”詹文成说。
然而，团队尽最大努力，仿制的翅膀仍旧未能实现像蜜蜂翅膀那么大的升力。
“还有成员欠妥心，被蜜蜂蜇了。”闫晓军苦笑着说，“一开始，我们以为是翅膀振动的轨迹有问题。研究过昆虫记录片之后，轨迹做对了，升力还是不足。我们现在就卡在了这个环节。电路之类的，我们都已经用到极致了，都是非常小的。”
只管不能飞，团队的这只“甲虫”仍旧在微型机器人领域实现了重大打破。
传统微型机器人内部空间不敷以承载大容量电池，必须通过外接电源持续供电，无法自由移动。而北航科研团队开拓出了基于直线式驱动、柔性铰链传动的新型动力系统，“甲虫”摆脱了尾巴一样的电线，每充电2分钟，就可以自由奔跑10分钟。
在研究的路上不断试错
团队没有放弃让昆虫机器人飞起来的梦想。
全体课题组分成了几个不同的小组，分别研究不同的技能方案，以寻求最优的工程办理方案。团队成员、北航副教授刘志伟带着博士生詹文成连续研究昆虫机器人，漆明净则转向了静电电机方向的研究。
“在我们学校，每个学生可能都会对翱翔有一些憧憬，但是想自己研发出翱翔的系统真的很难。我们考试测验了很多种驱动办法，都比较难。末了我们考试测验了静电电机的构建，这个不是像微梁那样来回振动，而是旋转式。这样的话，功率输出就不受限了。”申威阐明。
据先容，微型翱翔器小体积、轻质量、高机动，能够在狭小空间实行拍照、探测和运输等特种任务，在国民经济领域拥有广泛运用前景。
为理解决驱动和续航的难题，团队从微型发动机的事理方面寻求打破，提出一种新的静电驱动方案，研制出了在眇小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并成功试飞静电翱翔器。
“静电电机的观点几百年前就有了，比电池电机涌现得更早，但是一贯没有被利用起来，其理论方向也有些偏差。经由我们的改进和重新构建，把它的输出功率提高了很多，从而能够实现翱翔。”申威说。
据理解，这种新型微型翱翔器紧张由静电发动机和超轻质高压电源组成，具备0.568瓦的低功耗和30.7克每瓦的高升力上风，首次实现了微型翱翔器在纯自然光供能下的起飞和持续翱翔。
只管在静电电机的方向上有了打破，但闫晓军见告，团队仍旧不会放弃让“甲虫”飞起来这件事。
“我们还在探索各种各样的技能方案，包括增大振动频率、改变驱动方案等，都不会放弃。”闫晓军提到，自己的导师聂景旭教授怀揣着“空天报国”的激情亲切投身航空奇迹，搞研究“特殊执着”，每次提出的方案都“非常奥妙，充满了聪慧”。这种执着的精神，鼓舞着一代一代的北航人，点燃了他们的科研兴趣。在闫晓军看来，如今团队中的这些博士生，也都有着同样的激情亲切和执着。
“搞发动机研制这条路，须要有一颗热爱的心，坚持去试错，直到走通。”他说。（张渺）
来源：中国青年报
