這是哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所的羅伯特·伍德（Robert Wood）及其同事共同研發(fā)的最新成果，《科學(xué)》雜志報(bào)道稱，這可能是世界上試飛成功的最小的飛行機(jī)器人。一直致力于機(jī)器蒼蠅研究的美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校電機(jī)工程師羅南德·費(fèi)林（Ronald Fearing）表示： “這是一項(xiàng)重大的工程學(xué)突破，它耗費(fèi)了科學(xué)家15 年時(shí)間。”他強(qiáng)調(diào)：“這需要非常多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。”
在機(jī)器人領(lǐng)域，微型飛行機(jī)器人一直是研究的熱點(diǎn)。伍德認(rèn)為，機(jī)器蒼蠅這樣的微型機(jī)器人能被廣泛應(yīng)用在搜救行動(dòng)和偵察領(lǐng)域，或許還能代替蜜蜂進(jìn)行機(jī)器授粉。目前，哈佛大學(xué)技術(shù)部辦公室已經(jīng)著手將飛行機(jī)器人的某些技術(shù)商業(yè)化。
蒼蠅機(jī)器人。
蒼蠅的天分
蒼蠅是自然界最有天分的空氣動(dòng)力學(xué)家。一只小小的家蠅可以在1 秒內(nèi)轉(zhuǎn)彎6 次，它們能夠定點(diǎn)盤旋、俯沖、空中直上直下、向后飛、翻筋斗、停在天花板上，它們能敏捷地躲避蒼蠅拍并巧妙地停留在一朵花上。食蚜蠅甚至能夠定點(diǎn)盤旋，往前飛到另一地點(diǎn)，再分毫不差地回到原來(lái)盤旋的地方，是動(dòng)物界“精確制導(dǎo)”高手。昆蟲這種令人吃驚的飛行能力，準(zhǔn)確著陸，而后快速起飛，讓軍方十分感興趣。
綜觀飛行史，仿生設(shè)計(jì)一直如影隨形，鳥和蝙蝠在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起了至關(guān)重要的作用，基于大鳥滑翔機(jī)理，人們?cè)O(shè)計(jì)了滑翔飛行器，研究大鳥生理結(jié)構(gòu)和飛行原理，使人類乘著飛機(jī)上了天。但昆蟲和小鳥具有更大的機(jī)動(dòng)靈活性，如能夠快速改變運(yùn)動(dòng)方向，保持完美高度控制，能夠垂直起飛或著陸、懸停、向后運(yùn)動(dòng)，甚至可以上下翻滾飛行，只消耗很少能量。
在蒼蠅的尺度上，造出完全媲美它們飛行技藝的機(jī)器人，是十分困難的。將飛機(jī)按照比例縮小不可行，因?yàn)樵诤苄〉睦ハx身上，控制飛行的空氣動(dòng)力特性完全不一樣。加州理工學(xué)院生物學(xué)家邁克爾·迪金森（Michael Dickinson）曾做過(guò)試驗(yàn)，研究昆蟲在不同氣流模式下飛行的空氣動(dòng)力特性。他制作出一只25 厘米長(zhǎng)的仿蒼蠅翅膀，把它浸在一瓶礦物油中，模擬這么小尺寸下的空氣粘度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，昆蟲使用三種不同的翅膀運(yùn)動(dòng)來(lái)形成及控制形成升力所需的氣渦。后來(lái)，加州伯克利大學(xué)費(fèi)林的研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)昆蟲的飛行牽涉許多系統(tǒng)，包括特別適應(yīng)感知運(yùn)動(dòng)的眼睛，促使翅膀生成不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力的強(qiáng)勁肌肉。大多數(shù)昆蟲通過(guò)調(diào)整振翅幅度、仰角和胸部細(xì)小肌肉的振翅傾斜度來(lái)控制翅膀。
他們仔細(xì)剖析了蒼蠅的飛行秘密。蒼蠅是通過(guò)復(fù)雜的三維軌跡來(lái)拍動(dòng)翅膀，振翅頻率常超過(guò)100 赫茲。它使用間接飛行肌來(lái)形成那些幅度大、頻率高的振翅。之所以叫間接飛行肌，是因?yàn)樗鼈儠?huì)使部分胸部變形，而不是使翅膀本身變形，從而在蒼蠅體內(nèi)引起機(jī)械共振。比較小的肌肉直接連到翼鉸鏈，對(duì)翅膀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行微調(diào)。蒼蠅甚至擁有平衡棒這種特殊的感覺器官，能在飛行時(shí)感知身體轉(zhuǎn)動(dòng)。這些是蒼蠅擁有盤旋、倒立飛行及落在墻壁和天花板上這些超凡本領(lǐng)的關(guān)鍵。
為了能生成足夠的推力以便飛離地面，機(jī)器蒼蠅身體要極其輕便，翅膀動(dòng)力也要異常強(qiáng)大。另外還需電源、傳感器和控制飛行的微芯片。
機(jī)器蒼蠅和真蒼蠅一樣也有幾個(gè)重要的機(jī)械飛行部件： 機(jī)體（外骨骼）、致動(dòng)器（飛行?。?、傳動(dòng)器（胸部）和機(jī)翼（翅膀）。為了控制重量，機(jī)器蒼蠅的翅膀用由碳纖維骨架強(qiáng)化的聚酯薄膜構(gòu)成，而控制翅膀拍動(dòng)的“肌肉”則是由層狀壓電材料制成，電流通過(guò)就會(huì)發(fā)生變形。這些精確排列的層狀材料模擬了昆蟲的飛行肌結(jié)構(gòu)，通過(guò)收縮和放松實(shí)現(xiàn)扇動(dòng)翅膀。
機(jī)器蒼蠅中的微小零件，其中一些僅有微米大小，利用傳統(tǒng)的制作工藝難以制造。研究人員想出了一種與在彈出式圖書中所采用的模式類似的折疊方法。他們利用柔性鉸鏈制造了一個(gè)可彎曲的平面材料薄層，從而使得三維結(jié)構(gòu)一下子變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
參與試驗(yàn)的凱文·馬解釋說(shuō)：“與直接制造三維結(jié)構(gòu)相比，將二維結(jié)構(gòu)通過(guò)折疊變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)要容易得多。”
但挑戰(zhàn)仍然存在，羅伯特·伍德在2010 年的一篇文章里寫道：“如何控制仍是個(gè)難題。真蒼蠅之所以能迅速轉(zhuǎn)身，原因在于它擁有便于迅速反應(yīng)的特殊神經(jīng)系統(tǒng)。我們正在研究模擬這種系統(tǒng)的實(shí)用方法： 借助許多姿態(tài)傳感器的輸入信息。姿態(tài)傳感器能測(cè)出飛行方向，并直接操縱傳動(dòng)裝置。”
在他們發(fā)布的視頻里，機(jī)器蒼蠅使用的電力和控制信號(hào)仍需要由一根纖細(xì)的電纜傳送給它，依靠一臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控動(dòng)作，調(diào)整姿勢(shì)。伍德希望能給它裝上微型傳感器和足夠輕的電池，以擺脫電纜的束縛。
費(fèi)林表示，目前最大的技術(shù)障礙是電池，要設(shè)計(jì)一款小到能夠被機(jī)器蒼蠅所攜帶的電池。目前能夠提供足夠動(dòng)力的最小電池也有0.5 克重--機(jī)器蒼蠅的體重才80 毫克。
機(jī)械蜻蜓。
仿生機(jī)器人的應(yīng)用
伍德博士的機(jī)器人并非目前唯一的實(shí)驗(yàn)性微型飛行器。然而，其他的飛行器比大多數(shù)昆蟲更大更重。
五角大樓的供應(yīng)商Aero-Vironment 公司設(shè)計(jì)的最新蜂鳥無(wú)人機(jī)，翼展有16 厘米；由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研發(fā)的代爾夫特蠅（DelFly Micro） 飛行器，翼展為10 厘米。另一類是直升式機(jī)器人，如日本公司精工愛普生（Seiko Epson）目前已研發(fā)出一個(gè)8 厘米高的機(jī)器人，它在同一個(gè)軸上安裝了對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，從而維持平衡；賓夕法尼亞大學(xué)GRASP 實(shí)驗(yàn)室在2011 年TED 官方會(huì)議上展示了一款只有巴掌大小的四軸飛行器，四個(gè)角上的螺旋槳控制著飛行器前進(jìn)、上升、下降、翻滾。它裝有傳感器和微處理器，能夠不依靠GPS 在充滿障礙的籠子里自由穿行，精確地飛到指定位置。一群這樣的機(jī)器人可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛翔，甚至完成一些復(fù)雜任務(wù)，如演奏一首鋼琴曲。
除了蒼蠅，蜜蜂、螞蟻和蜻蜓也是微型飛行機(jī)器人研究的常見對(duì)象。
蜻蜓懸浮能力突出，結(jié)構(gòu)輕巧，蜜蜂展現(xiàn)出突出的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和組織能力。
賓夕法尼亞大學(xué)GRASP 實(shí)驗(yàn)室的群體協(xié)作機(jī)器人靈感來(lái)源于螞蟻。
這也是伍德博士的研究方向。他希望效仿大自然，設(shè)計(jì)出算法，讓機(jī)器人像群居昆蟲那樣采用簡(jiǎn)單的局部規(guī)則和極少的直接溝通，完成異常復(fù)雜的任務(wù)。比如，即使沒(méi)有哪只白蟻手中有藍(lán)圖，它們?nèi)阅軌虼钤斐霰茸陨泶髷?shù)百萬(wàn)倍的建筑物。
他認(rèn)為即使只有簡(jiǎn)單的控制算法，微型機(jī)器人也能充當(dāng)自組織移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，扮演重要角色，如搜救行動(dòng)、危險(xiǎn)環(huán)境探測(cè)及監(jiān)控、行星探索及樓宇檢驗(yàn)等。
微型機(jī)器人的好處在于，它們能到達(dá)人類無(wú)法企及的地方。體型越小越靈活，也越隱蔽。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）一直在資助“超微型無(wú)人機(jī)”項(xiàng)目，計(jì)劃研制出可在樓群間和建筑物中自如飛行的微型無(wú)人偵察機(jī)，為巷戰(zhàn)等特殊環(huán)境中的戰(zhàn)斗人員及時(shí)提供戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)。
隨著傳感器的尺寸越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，無(wú)人機(jī)的尺寸也越做越小。伍德預(yù)測(cè)，完全自主的機(jī)器昆蟲有望五年內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室條件下展翅飛行。之后五年，我們可能開始看到這些裝置出現(xiàn)在人們的日常生活中。
他認(rèn)為，搜索和救援等民用用途可能與軍事和安全領(lǐng)域同樣重要。
不過(guò)，隱私一直是個(gè)問(wèn)題在2011 年1 月，美國(guó)國(guó)土安全部科學(xué)技術(shù)官員羅斯·多爾蒂（Ruth Doherty）對(duì)使用無(wú)人機(jī)監(jiān)控恐怖主義跡象或保護(hù)大型公共活動(dòng)如“超級(jí)碗”表示擔(dān)憂，“必須在經(jīng)濟(jì)上證明它們是可行的，不是一種侵犯性的監(jiān)控，能被公民接受。”《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，2007 年的一次反戰(zhàn)示威游行上，示威者堅(jiān)稱遭遇類似蜻蜓的小型飛行器的監(jiān)視。無(wú)論真相如何，今后，類似遭遇“機(jī)器昆蟲”的事件會(huì)越來(lái)越多。當(dāng)無(wú)人機(jī)微型化后，公眾對(duì)隱私泄露的擔(dān)憂會(huì)加劇。想象一下，一個(gè)蒼蠅大小的機(jī)器人完成狗仔的偷拍任務(wù)幾乎易如反掌。
《大西洋月刊》多次撰文擔(dān)憂微型飛行機(jī)器人的廣泛使用，會(huì)對(duì)公共安全和隱私造成威脅。在2012 年10 月的一篇文章里，《大西洋月刊》雜志引用機(jī)器人專家洛夫喬伊（Lovejoy）的話稱：“納米級(jí)微型機(jī)器人的出現(xiàn)，將會(huì)使人類社會(huì)的未來(lái)陷入一場(chǎng)巨大的不安和恐慌中。”
