最近美國的工程師們邁向昆蟲仿生學(xué)微型飛行機器人研制的方向上又邁出了關(guān)鍵性步驟，離完全自主飛行的目標(biāo)又進了一步。日前他們首次對外界展示了一臺采用閉合線路控制的微型飛行機器人執(zhí)行垂直飛行的情況。研制人員預(yù)計，他們借以控制垂直方向的方法也將最終幫助他們實現(xiàn)在全部三個軸向上實現(xiàn)自主操控。
來自哈佛大學(xué)微型機器人實驗室的研制小組日前在最新一期的《生物靈感與仿生學(xué)》雜志上發(fā)表了他們有關(guān)世界第一種“可控仿生學(xué)垂直飛行機器人”的相關(guān)論文。他們采用的創(chuàng)新方法將有助于未來開發(fā)完全自治的，擁有靈活飛行能力的微型機器人。
研制小組成員佩雷茲·阿蘭西比亞(Pérez-Arancibia)告訴記者說：“基本上，一個完全自治的微型飛行機器人可以做幾乎所有一只普通蜜蜂或蒼蠅能做的事情：起飛，降落或者在復(fù)雜環(huán)境中飛行。在未來，我設(shè)想這種微型機器人還將學(xué)會自我調(diào)整以適應(yīng)周遭環(huán)境，并與其它飛行機器人相互協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù)使命，甚至和真正的昆蟲之間相互交流。這一定很酷！”
盡管他們說的輕松，真正制造一個完全自治的衛(wèi)星飛行機器人可絕非易事：空氣動力學(xué)，傳感器，微型馬達，以及其他諸多因素必須進行綜合考慮。為了簡化問題，研制人員們決定首先將注意力集中于一個問題上：飛行高度控制。
于是他們設(shè)計了一臺采用仿生學(xué)振翅模式飛行的，重量僅有56毫克的微型飛行機器人，并將其限制在一個只能上下兩個方向移動的空間內(nèi)。飛行器通過拍動翅膀獲得升力，它振動翅膀頻率越高，升力就越大。
研究人員解釋說，為了設(shè)計控制系統(tǒng)，即一整套產(chǎn)生系統(tǒng)輸入信號的規(guī)則，研制人員們采用了兩套獨立的實驗步驟。在第一套實驗中，研制人員收集微型機器人動力學(xué)方面的靜態(tài)實驗數(shù)據(jù)，如讓機器人拍打翅膀，但是將其固定住不讓它移動。兩臺傳感器將測量微型馬達產(chǎn)生的馬力，以及拍打翅膀產(chǎn)生的力量大小。有了這些信息，研制人員便可以大致確定控制器的基本結(jié)構(gòu)。而為了進一步明確相關(guān)設(shè)計，科學(xué)家們需要收集更多的數(shù)據(jù)。在這一輪測試中他們讓微型飛行機器人上下運動，進行垂直飛行。正是在這一階段，他們實現(xiàn)了昆蟲級別仿生飛行機器人的首次垂直飛行測試。
阿蘭西比亞博士解釋說：“閉合線路意味著某項操作執(zhí)行的回饋信號會被自動輸入自身控制系統(tǒng)并產(chǎn)生新的輸出指令。在這一特定案例中，飛行機器人的高度數(shù)據(jù)由外界激光測量系統(tǒng)提供，隨后這些信息被控制系統(tǒng)用于生成控制指令并發(fā)出相應(yīng)指令，以便驅(qū)動翅膀拍打振動。請注意在此過程中高度是不斷變化的，飛行器必須進行相應(yīng)的調(diào)整。”
在測試過程中，研究人員展示了這一微型飛行機器人具備在某一高度懸停或按照指令飛向另一高度的能力。另外，當(dāng)研究人員用噴氣管去施加氣流干擾時，飛行機器人也能采取相應(yīng)措施排除干擾因素保持高度穩(wěn)定。而最令人矚目的是，這個小小的，僅重56毫克的飛行機器人竟然能產(chǎn)生相當(dāng)于其體重3.6倍的升力，這就意味著它將有能力“背負(fù)”包括轉(zhuǎn)向控制設(shè)備，感受器和微型電源在內(nèi)的各種附加載荷。這些裝備的加裝將賦予飛行機器人更加強大的能力。
阿蘭西比亞博士說：“可以預(yù)計，如果批量生產(chǎn)，這種小機器人的造價將非常便宜。因此它們將非常適用于被派往那些人員無法企及的危險區(qū)域進行偵查，探索并發(fā)回情報。比如它們可以被派往火災(zāi)地區(qū)，受嚴(yán)重污染的地區(qū)，如危險化學(xué)品擴散區(qū)，輻射區(qū)甚至疫病蔓延地區(qū)或倒塌的建筑內(nèi)部執(zhí)行偵查任務(wù)。它們將是進行現(xiàn)場生物學(xué)研究的絕佳助手。想象一下吧，你可以一次派出1000~2000只機器蜜蜂‘蜂擁’進入亞馬遜雨林對那里的大樹進行各種角度的詳細觀察。或者讓一組微型飛行機器人跟蹤那些從墨西哥到加拿大進行千里遷徙的美洲帝王蝴蝶，等等。甚至還有人提出用它們進行人工授粉。”
而現(xiàn)在，研究工作正在迅速取得突破性進展，人們正朝著實現(xiàn)完全自治的微型飛行機器人的目標(biāo)快步前進。阿蘭西比亞說：在哈佛大學(xué)微型機器人實驗室，我們是一個小組。我們將全力工作，力爭實現(xiàn)這一目標(biāo)。”
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