史上最輕無人機(jī)登上Nature封面：比回形針還輕，自帶太陽能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無纜飛行

安妮 郭一璞 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

世界上最輕的無纜飛行器，最近登上了Nature最新版封面。

RoboBee X-Wing，這個(gè)來自哈佛的微型飛行機(jī)器人，為光能供電，可攜帶最多6塊太陽能電池板。

在三個(gè)太陽光級(jí)別的強(qiáng)光照直射的條件下，太陽能電池板能提供約110-120毫瓦能量，讓這個(gè)微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)從起飛到持續(xù)飛行約半秒時(shí)間。

研究人員表示，其推進(jìn)效率，已經(jīng)可以與同樣大小的昆蟲相當(dāng)。研究人員表示，這是迄今為止，重量最輕的不需要電源栓繩飛行的昆蟲級(jí)飛行器。

這樣的飛行能力，竟然來自于一個(gè)小小的身體：

仿蜜蜂設(shè)計(jì)，為四翼仿生撲翼系統(tǒng)，相比之前版本多了兩只翅膀。翼展為3.5厘米，高6.5厘米。

回形針般的重量，動(dòng)力系統(tǒng)加機(jī)器本身，只有259毫克。包含一個(gè)重約60毫克的光伏陣列，以及一個(gè)重約91毫克的信號(hào)發(fā)生器。

相比于大型飛機(jī)在廣闊的天空翱翔，這種蟲子大小、易覆蓋的微型機(jī)器人在調(diào)查勘探方面更具潛力。

它能夠從自然災(zāi)害、作物病害甚至戰(zhàn)爭(zhēng)地區(qū)中收集圖像和數(shù)據(jù)，小到不包含任何機(jī)械杠桿、齒輪；用于醫(yī)療領(lǐng)域，可幫助人類完成大型器械難以到達(dá)的區(qū)域。

有網(wǎng)友表示細(xì)思極恐，這小巧的體型和潛力無限的應(yīng)用場(chǎng)景，這怕不是《黑鏡》里無處不在的人造殺人蜂？

Nature在介紹中說，創(chuàng)造和昆蟲差不多大的飛行機(jī)器人，但既能產(chǎn)生足夠推動(dòng)力又能保持足夠輕的重量，這一直是一個(gè)棘手的問題。

現(xiàn)在， RoboBee X-Wing做到了。

還有網(wǎng)友直接表示，厲害到讓人恐懼。

這到底是什么構(gòu)造，我們把這個(gè)RoboBee拆解一下。

拆解“電子蜜蜂”

第一，要保證材料夠輕，還能耐得住持久飛行。

第二，目前，人類能造出來的制動(dòng)器和電池還均遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生物組織的功率和能量密度，也就是說，研究人員要把電池和飛行裝置裝置“壓縮”到昆蟲那么小，還得能提供強(qiáng)大的能量。

第三，昆蟲飛行時(shí)的傳感和控制算法相當(dāng)復(fù)雜，即便是用超級(jí)計(jì)算機(jī)也難以模擬，如何人工實(shí)現(xiàn)動(dòng)物的飛行控制算法也是個(gè)難題。

那這臺(tái)無人機(jī)，究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的？

整體上，它包含兩個(gè)部分：

90毫克的“蜜蜂”身體，帶有4個(gè)翅膀，展開總寬度3.5厘米，包含兩個(gè)氧化鋁強(qiáng)化的壓電致動(dòng)器，以此提高空氣動(dòng)力學(xué)效率。

169毫克的集成系統(tǒng)以及電子設(shè)備，包括“蜜蜂”身體上方的太陽能系統(tǒng)，還能攜帶6塊太陽能電池。

另外還有動(dòng)力源、信號(hào)發(fā)生器等部件，這樣，無人機(jī)就得到了能源供應(yīng)，不需要連接電源就能飛起來，整個(gè)組合高6.5厘米。

兩個(gè)部分加起來只有259毫克，不到四分之一克，相當(dāng)于只有一根針的重量。

不過，找到這么小而輕的元器件，可不是一件容易的事，需要做許多專門的定制和改進(jìn)。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)致動(dòng)器做了改進(jìn)，在不改變尺寸的情況下，降低了傳動(dòng)比，使峰值升力增加38％。

另外，在RoboBee此前的版本中，均為2個(gè)機(jī)翼，但在X-Wing中，研究人員首次將機(jī)翼的個(gè)數(shù)調(diào)整到4只。

這是為了在不增加額外動(dòng)力的情況下提升無人機(jī)的上升力，參考P（功率）=F（力）??v（速度），研究團(tuán)隊(duì)需要讓機(jī)翼的面積更大，因此，直接把機(jī)翼的數(shù)量翻倍了。

用上圖這種方式連接，比2個(gè)翅膀效率提升了30%。

這樣，四個(gè)翅膀就能在四個(gè)角度上扇動(dòng)。

有了翅膀和太陽能電源，并不意味著這只人造的“蜜蜂”就能飛起來，需要設(shè)計(jì)控制它的系統(tǒng)。

首先，控制翅膀扇動(dòng)的電流，采用非正弦電流，峰值電壓降低10%。

然后，需要設(shè)計(jì)具體的電路。

這一部分是雙向反激式轉(zhuǎn)換器的電路圖，VIN是輸入電壓，CIN是輸入電容，QL是低邊開關(guān)，DL是低邊二極管，LP是變壓器的初級(jí)繞組，LS是變壓器的次級(jí)繞組，QH是高邊開關(guān)，DH是高邊二極管和VO是輸出電壓。

而整個(gè)電路圖長這樣。

紫色的Flyback就是上面的那張圖，它們驅(qū)動(dòng)兩個(gè)致動(dòng)器，微控制器單元（MCU）中的ADC分別是A（VA）或B（VB）的輸出電壓；與期望電壓Vdes進(jìn)行比較，并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖給開關(guān)QH,A，QL,A，QH,B和QL,B。A接通，開關(guān)QS閉合。CA和CB是致動(dòng)器的電容。

最后，根據(jù)前面的電路圖完成的實(shí)體結(jié)構(gòu)就是上面的樣子。

局限性：不能走出實(shí)驗(yàn)室

不過，最后的實(shí)踐環(huán)節(jié)卻困難重重。

研究人員表示，因?yàn)槟芰縼碓礊樘柲茈姵?，因此在?shí)際的測(cè)試中，研究者們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里需要開燈為太陽能系統(tǒng)供能，但實(shí)驗(yàn)中的飛行只能維持半秒。

那為什么不去室外，在太陽底下飛呢？

這是因?yàn)槲覀兊淖匀唤缰?，太陽的光照?qiáng)度無法支撐這只無人機(jī)。

太陽的光照強(qiáng)度為1000W/m2，而在這類無人機(jī)中，最先進(jìn)的無人機(jī)需要5~7個(gè)太陽的光照強(qiáng)度才能飛起來，而RoboBee X-Wing自身需要3個(gè)太陽的光照強(qiáng)度才能飛起來。

另外，室外還有一些環(huán)境問題，比如風(fēng)的影響，或者飛到?jīng)]有太陽的陰影中無法供電。

不過，這些都不是問題，研究人員表示，未來會(huì)更加關(guān)注RoboBee X-Wing在戶外場(chǎng)景的實(shí)用性，將需要的太陽光強(qiáng)度由3個(gè)太陽光照強(qiáng)度降低到1.5個(gè)太陽光照強(qiáng)度。

但最終的目的，是將驅(qū)動(dòng)飛行所需的光照強(qiáng)度降低到一個(gè)太陽光照強(qiáng)度以下，這樣才能真正走出實(shí)驗(yàn)室。

未攻克的兩大難題

RoboBee確實(shí)很小很酷，但也正是因?yàn)轶w型過小，給研究人員帶來了很多附加的難題。

作為一個(gè)仿生的撲翼系統(tǒng)，與固定翼的飛機(jī)不同，RoboBee采用的是一種創(chuàng)新型的四翼結(jié)構(gòu)，每個(gè)翅膀前后擺動(dòng)帶動(dòng)機(jī)體飛行。

這種運(yùn)動(dòng)是由集成壓電（integrated piezoelectrics）驅(qū)動(dòng)的，在這個(gè)過程中完成電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，以可以接受的功率產(chǎn)生足夠的升力。

舉個(gè)身邊常見的例子，比如打火機(jī)的電子打火裝置，就是一種壓電效應(yīng)的應(yīng)用。

壓電的長期缺點(diǎn)是，盡管可以對(duì)材料施加很大的力，但材料會(huì)產(chǎn)生微小變形產(chǎn)生移位，并且需要高電壓。

這樣一來，兩個(gè)有待優(yōu)化的問題接踵而至。

難題一：

如何優(yōu)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，最大程度控制移位？

難題二：

如何更高效得將這樣一小塊太陽能電池板產(chǎn)生的低電壓，轉(zhuǎn)換成壓電驅(qū)動(dòng)所需的200伏脈沖電壓？

在RoboBee之后的研究中，這2個(gè)難題也將是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

不過，當(dāng)前的RoboBee-X-Wing離研究人員的理想版本還很遠(yuǎn)。

他們表示，真正的微行飛行機(jī)器人，應(yīng)該像反烏托邦科幻小說《獵物》（Prey）中描繪的場(chǎng)景一樣，飛行了不到一秒鐘，就消失在視野里了。

雖然這種速度目前還是展望，但研究人員表示，隨著電池技術(shù)和通信技術(shù)的提高，微型機(jī)器人的可控飛行已經(jīng)在人類的掌控之中。

RoboBee的創(chuàng)造者

研究人員將RoboBee-X-Wing的最新成果匯集在論文Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle中，登上了今天的Nature封面。

這篇論文共有四位作者，全部來自哈佛大學(xué)。

Noah T. Jafferis和E. Farrell Helbling為這篇文章的共同一作，Jafferis現(xiàn)在是哈佛威斯生物工程研究所的博士后。

Jafferis有一段傳奇的經(jīng)歷，Device&Materials Engineering資料顯示，在16歲時(shí)進(jìn)入耶魯大學(xué)前，他一直在家里接受教育，隨后在普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

確認(rèn)過眼神，是天才少年沒錯(cuò)了。

E. Farrell Helbling小姐姐是Robobee項(xiàng)目的首席研究員，也是哈佛的一名博士后，此前就讀于Smith College。

Michael Karpelson主要關(guān)注機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、微型機(jī)器人、傳感器等方面，研究電氣、機(jī)械和計(jì)算機(jī)工程的交叉領(lǐng)域，在項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)動(dòng)力系統(tǒng)。

Radhika Nagpal是哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，也在一直參與RoboBee的研究。

其實(shí)，哈佛的RoboBee項(xiàng)目早在2013年就亮相了，當(dāng)時(shí)只能完成起飛和著陸兩項(xiàng)基本任務(wù)。

2017年，RoboBee不僅能夠飛行、潛水、游泳，還能從水面彈射而起，并且安全在地面降落。

對(duì)于毫米級(jí)的機(jī)器人來說，能夠在空中和水中飛行有很多挑戰(zhàn)。比方水的密度比空氣大1000倍，因此兩種介質(zhì)中翅膀拍打的速度相差很大。

當(dāng)時(shí)，還無法做到RoboBee出水后立即恢復(fù)飛行。

新一代的RoboBee X-Wing變化最大，增加了第二對(duì)機(jī)翼，進(jìn)一步提升了升力，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)地飛行。

未來，RoboBee又將進(jìn)化成什么樣子呢？

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Nature封面介紹：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01964-3

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1322-0