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

安妮 郭一璞 發(fā)自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 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，這個來自哈佛的微型飛行機器人，為光能供電，可攜帶最多6塊太陽能電池板。

在三個太陽光級別的強光照直射的條件下，太陽能電池板能提供約110-120毫瓦能量，讓這個微型機器人實現(xiàn)從起飛到持續(xù)飛行約半秒時間。

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飛行器。

這樣的飛行能力，竟然來自于一個小小的身體：

仿蜜蜂設(shè)計，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，動力系統(tǒng)加機器本身，只有259毫克。包含一個重約60毫克的光伏陣列，以及一個重約91毫克的信號發(fā)生器。

相比于大型飛機在廣闊的天空翱翔，這種蟲子大小、易覆蓋的微型機器人在調(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)爭地區(qū)中收集圖像和數(shù)據(jù)，小到不包含任何機械杠桿、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器人，但既能產(chǎn)生足夠推動力又能保持足夠輕的重量，這一直是一個棘手的問題。

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，還得能提供強大的能量。

第三，昆蟲飛行時的傳感和控制算法相當(dāng)復(fù)雜，即便是用超級計算機也難以模擬，如何人工實現(xiàn)動物的飛行控制算法也是個難題。

那這臺無人機，究竟是怎么實現(xiàn)的？

整體上，它包含兩個部分：

90毫克的“蜜蜂”身體，帶有4個翅膀，展開總寬度3.5厘米，包含兩個氧化鋁強化的壓電致動器，以此提高空氣動力學(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。

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

兩個部分加起來只有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)。

研究團隊對致動器做了改進(jìn)，在不改變尺寸的情況下，降低了傳動比，使峰值升力增加38％。

另外，在RoboBee此前的版本中，均為2個機翼，但在X-Wing中，研究人員首次將機翼的個數(shù)調(diào)整到4只。

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

用上圖這種方式連接，比2個翅膀效率提升了30%。

這樣，四個翅膀就能在四個角度上扇動。

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)計控制它的系統(tǒng)。

首先，控制翅膀扇動的電流，采用非正弦電流，峰值電壓降低10%。

然后，需要設(shè)計具體的電路。

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是變壓器的初級繞組，LS是變壓器的次級繞組，QH是高邊開關(guān)，DH是高邊二極管和VO是輸出電壓。

而整個電路圖長這樣。

紫色的Flyback就是上面的那張圖，它們驅(qū)動兩個致動器，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是致動器的電容。

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

局限性：不能走出實驗室

不過，最后的實踐環(huán)節(jié)卻困難重重。

研究人員表示，因為能量來源為太陽能電池，因此在實際的測試中，研究者們在實驗室里需要開燈為太陽能系統(tǒng)供能，但實驗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？

這是因為我們的自然界中，太陽的光照強度無法支撐這只無人機。

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

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，未來會更加關(guān)注RoboBee X-Wing在戶外場景的實用性，將需要的太陽光強度由3個太陽光照強度降低到1.5個太陽光照強度。

但最終的目的，是將驅(qū)動飛行所需的光照強度降低到一個太陽光照強度以下，這樣才能真正走出實驗室。

未攻克的兩大難題

RoboBee確實很小很酷，但也正是因為體型過小，給研究人員帶來了很多附加的難題。

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

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

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

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

這樣一來，兩個有待優(yōu)化的問題接踵而至。

難題一：

如何優(yōu)化機械傳動系統(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)動所需的200伏脈沖電壓？

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

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，真正的微行飛行機器人，應(yīng)該像反烏托邦科幻小說《獵物》（Prey）中描繪的場景一樣，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，是天才少年沒錯了。

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

Michael Karpelson主要關(guān)注機器人、醫(yī)療設(shè)備、微型機器人、傳感器等方面，研究電氣、機械和計算機工程的交叉領(lǐng)域，在項目中主要負(fù)責(zé)動力系統(tǒng)。

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

其實，哈佛的RoboBee項目早在2013年就亮相了，當(dāng)時只能完成起飛和著陸兩項基本任務(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。

對于毫米級的機器人來說，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，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，增加了第二對機翼，進(jìn)一步提升了升力，實現(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