【工业之美】仅重12克、飞行可悬停、翅膀能辨路,这是目前最逼真的蜂鸟机器人

【工业之美】仅重12克、飞行可悬停、翅膀能辨路,这是目前最逼真的蜂鸟机器人

记者 | 彭强

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蜂鸟在自然界里是一种特殊的存在,它的体型很小,具有很强的敏捷性,不仅能像鸟儿一样飞行,还能像蜜蜂一样在空中悬停,甚至可以向后飞。

如果飞行机器人能够拥有这些特点,就能更容易进入倒塌的建筑物或更狭小的空间里,实施地形勘察和搜救活动。

日前,美国普渡大学机械工程学院副教授邓新燕及其团队,设计出了一款飞行机器人,被视为迄今为止最逼真的蜂鸟机器人。

目前主流的飞行机器人大多是多旋翼无人机,这类机器人可操纵性强、可垂直起落,但它们采用传统的旋翼飞行模式,不能被造得太小,否则无法产生足够的上升力。

与传统的飞行机器人不同,邓新燕团队设计的蜂鸟机器人拥有弹性的翅膀,为扑翼机器人。扑翼是一种模仿鸟类和昆虫飞行,基于仿生学原理设计制造的新型飞行器的重要结构。

“这种机器人从空气动力学上说是不稳定的,拥有较大的迎角,因此能够获得更大的上升力,”邓新燕发表在普渡大学官网上文章写道,这使设计出更小的机器人成为可能。

这款机器人全身仅重约12克,相当于蜂鸟的平均体重。它的身体由3D打印出来,翅膀由碳纤维和薄膜制成,翼展约17厘米,煽动频率可达40赫兹。虽然小,但它可举起27克的重量,超过自重两倍的负载,这使得搭载电源、通信等硬件成为可能。

邓新燕团队已对蜂鸟进行了数年的研究,记录了大量的蜂鸟飞行数据,并将其转化成计算机算法。

据邓新燕的文章介绍,通过人工智能和算法学习,他们造出的机器人高度还原了蜂鸟的飞行特点,模仿蜂鸟的肌肉系统控制翅膀的扑翼运动,已学会像蜂鸟那样飞行和移动,遇到障碍时会像蜂鸟般避开,也能完成特定轨迹的飞行。

邓新燕认为,“通过学习生物学知识,我们设计了这款机器人,现在这款机器人反过来可以推动生物学的进展。”通过研究它们,生物学家甚至可获得比自然界更为可靠的数据。

这款蜂鸟机器人目前并未装配摄像头,但它可通过感知翅膀载荷的变化来识别环境的变化,识别出地面、墙壁、楼梯甚至阵风。因此,它具备在黑暗狭小环境中执行搜索和救援任务的能力。

邓新燕团队还造出了一个重约1克的机器人,与昆虫大小相仿,同样采用蜂鸟的飞行模式。邓新燕称,机器人的尺寸越小,翅膀拍打的频率就越快,飞行效率就越高。

最早的蜂鸟机器人出自日本。2009年,日本科学家发明了一款蜂鸟机器人,能够模仿蜂鸟的飞行特点在空中悬停。

2011年,美国加州的环境公司(Aero Vironment)受美国国防部高级研究计划局(DARPA)委托,制造出了“纳米蜂鸟”(Nano Hummingbird)无人机,当年被《时代杂志》评为50大创新发明之一。

“纳米蜂鸟”重约18.7克,飞行速度达到11英里/小时(约合18公里/小时),但它飞行的机动性相对有限,仍需人来遥控。

按照计划,在5月20日的2019年国际机器人和自动化大会上,邓新燕团队将展示他们的作品。