導(dǎo)讀
近日，美國(guó)華盛頓大學(xué)的工程師們首次切斷了束縛飛行機(jī)器人的電線，并為它們添加了“大腦”。他們?cè)O(shè)計(jì)出的飛行機(jī)器人 RoboFly 展開了首次獨(dú)立地振翅飛行。對(duì)于 RoboFly 來說，這是一次微小的振翅；對(duì)于機(jī)器人類來說，這卻是一次巨大的飛躍。
背景
昆蟲般大小的飛行機(jī)器人能幫助人類完成費(fèi)時(shí)的任務(wù)，例如調(diào)查大型農(nóng)場(chǎng)的農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，或者嗅出泄露的氣體。但是這些機(jī)器人小到無法使用螺旋槳，因此它們的飛行是靠振動(dòng)微小的翅膀。然而，作為這些機(jī)器人的“表親”，比它們更大的無人機(jī)，通常會(huì)采用螺旋槳。小尺寸的優(yōu)勢(shì)在于：這些機(jī)器人制造成本低，易于“溜進(jìn)”狹小的空間中，而比它們更大的無人機(jī)卻沒有辦法進(jìn)入狹小的空間。
但是，目前飛行機(jī)器人仍然需要用電線拴在地面上。例如，筆者曾經(jīng)介紹過美國(guó)哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院開發(fā)的微型飛行機(jī)器人 RoboBee，這種昆蟲般大小的機(jī)器人既可以游泳，也可以飛行。但是，供電以及控制翅膀的電子設(shè)備一般都重到讓這些小型機(jī)器人難以攜帶。因此，為了節(jié)省重量，電力必須用電線從外部來供給。
（圖片來源: 哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室 / 工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）
創(chuàng)新
近日，美國(guó)華盛頓大學(xué)的工程師們首次切斷了束縛飛行機(jī)器人的電線，并為它們添加了“大腦”。他們?cè)O(shè)計(jì)出的飛行機(jī)器人 RoboFly 展開了首次獨(dú)立地振翅飛行。對(duì)于 RoboFly 來說，這是一次微小的振翅；而對(duì)于機(jī)器人類來說，這卻是一次巨大的飛躍。
5月23日，團(tuán)隊(duì)將他們的研究成果發(fā)表于澳大利亞布里斯班召開的機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議（International Conference on Robotics and Automation）上。
（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學(xué)）
技術(shù)
RoboFly 只比牙簽稍微重一點(diǎn)點(diǎn)，并由激光供電。它采用一個(gè)微型板上電路將激光的能量轉(zhuǎn)化為足夠的電力來操控其翅膀。
（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學(xué)）
論文合著者之一、華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系助理教授 Sawyer Fuller 表示：“之前，昆蟲大小的無線飛行機(jī)器人的概念只出現(xiàn)在科幻小說中。那么，我們能在無線的情況下讓它們工作嗎？我們的新型無線 RoboFly 已非常接近現(xiàn)實(shí)。”
工程方面的挑戰(zhàn)主要在于振翅。拍打翅膀是一個(gè)功耗很大的過程，電源和指揮翅膀的控制器都很大且很笨重，以至于微型機(jī)器人無法搭載它們。所以，之前的昆蟲機(jī)器人 RoboBee 才會(huì)被一根電線牽住，這根電線用于接收來自地面的能量和控制。
但是，飛行機(jī)器人應(yīng)該能夠自己?jiǎn)为?dú)操作。Fuller 及其團(tuán)隊(duì)決定采用狹窄的不可見激光束來為機(jī)器人供電。他們讓激光束指向貼在RoboFly上方的光伏電池，并將激光轉(zhuǎn)化為電力。
（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學(xué)）
論文合著者之一、華盛頓大學(xué) Paul G. Allen 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的 Shyam Gollakota 表示：“為了將大量電力迅速傳輸至同時(shí)又不增加很多重量，這是最有效的途徑之一。”
激光仍然無法單獨(dú)提供足夠的電壓來移動(dòng)翅膀。因此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)電路，它將光伏電池輸出的7伏電壓提升至飛行所需的240伏。同時(shí)，為了讓 RoboFly 控制自己的翅膀，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)“大腦”：他們?cè)谙嗤碾娐分刑砑恿艘粋€(gè)微控制器。
如下圖所示：具有升壓電路（左邊的銅線圈和黑色盒子）的柔性電路（黃色）
以及微控制器“大腦”（右上方的黑色正方形盒子）。
（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學(xué)）
論文合著者之一、華盛頓大學(xué)電氣工程系博士生 Vikram Iyer 表示：“微控制器就像真實(shí)的飛行昆蟲的大腦，告訴翅膀肌肉什么時(shí)間工作。它發(fā)送‘用力拍打’或者‘停止拍打’等指令給RoboFly的翅膀。”
（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學(xué)）
特別是，控制器以波的形式發(fā)送電壓模仿真實(shí)昆蟲翅膀的振動(dòng)。論文領(lǐng)導(dǎo)作者、機(jī)械工程系博士生 Johannes James 表示：“它使用脈沖形成波。為了讓翅膀迅速地拍打，它迅速發(fā)出一系列脈沖，然后當(dāng)快要達(dá)到波峰時(shí)，它會(huì)讓脈沖變慢。然后，它會(huì)相反地操作，讓翅膀向另外一個(gè)方向平穩(wěn)地拍打。”
價(jià)值
Fuller 說：“我真想做成一個(gè)能找到甲烷泄露的飛行機(jī)器人。你買到一個(gè)充滿飛行機(jī)器人的手提箱，打開它，然后這些飛行機(jī)器人會(huì)在建筑物附近飛來飛去，尋找管道泄漏的氣體羽流。如果這些機(jī)器人能很容易找到泄露，那么這些泄露就會(huì)很可能被迅速修復(fù)，從而減少溫室氣體排防。它受到了真實(shí)飛蟲的啟發(fā)，這些飛蟲非常善于飛來飛去尋找有氣味的東西。所以我們認(rèn)為，這對(duì)于 RoboFly 來說是一個(gè)好應(yīng)用。”
未來
現(xiàn)在，RoboFly 只能起飛和降落。一旦它的光伏電池離開激光的直接瞄準(zhǔn)線，機(jī)器人將會(huì)停電并降落。但是團(tuán)隊(duì)希望不久能夠操控激光，讓 RoboFly 可以盤旋并且飛來飛去。
Gollakota 表示，目前 RoboFly 由激光供電，而未來的版本將采用電池或者從無線電信號(hào)中吸收能量。那樣的話，他們的電源可以根據(jù)特殊的任務(wù)需要進(jìn)行修改。
Fuller 表示，未來的 RoboFlies 有望具有更高級(jí)的“大腦”和傳感器系統(tǒng)，從而幫助它們導(dǎo)航以及獨(dú)立地完成任務(wù)。
