在仿生機(jī)器人領(lǐng)域，昆蟲尺度飛行器的研發(fā)一直面臨著能源供給、推進(jìn)效率與姿態(tài)穩(wěn)定性之間的棘手矛盾。傳統(tǒng)方案采用線纜供電，雖然能夠繞過機(jī)載電池帶來的重量限制，但卻大大犧牲了運(yùn)動(dòng)自由度，限制了飛行器的靈活應(yīng)用。而光能、風(fēng)能等無線供能方式，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了無纜化，卻又因?yàn)榄h(huán)境依賴性強(qiáng)、控制精度低等問題而難以廣泛應(yīng)用。值得注意的是，磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)因其快速響應(yīng)、穿透性強(qiáng)、可控性高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在微型游泳機(jī)器人和爬行機(jī)器人中已經(jīng)得到了成功驗(yàn)證。然而，這一技術(shù)在空中飛行領(lǐng)域的應(yīng)用卻長(zhǎng)期處于空白狀態(tài)。
近日加州大學(xué)伯克利分校的研發(fā)人員設(shè)計(jì)出了一種新型可控?zé)o線飛行機(jī)器人。它的設(shè)計(jì)靈感來源于大黃蜂，能夠在空中盤旋、調(diào)整飛行軌跡，并且具備一定的目標(biāo)擊中能力。這款機(jī)器人非常小巧，直徑不足1厘米，重量也僅有21毫克，是目前世界上最小的可控無線飛行機(jī)器人之一。目前該研究成果已在《Sci. Adv.》子刊發(fā)表。
▍機(jī)器人設(shè)計(jì)與操作原理
機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)由四個(gè)螺旋槳葉片和一個(gè)平衡環(huán)組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過高精度的三維打印技術(shù)制造而成。螺旋槳葉片的設(shè)計(jì)是機(jī)器人能否產(chǎn)生足夠升力的關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)通過大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，優(yōu)化了葉片的幾何形狀和尺寸，以在低雷諾數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)最佳的氣動(dòng)性能。同時(shí)，葉片的材料選擇也經(jīng)過了精心考慮，以確保其既具有足夠的強(qiáng)度以承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，又足夠輕便以減小機(jī)器人的整體重量。
平衡環(huán)的設(shè)計(jì)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行的另一重要因素。它位于螺旋槳葉片的中心，通過增加機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性矩，在高頻旋轉(zhuǎn)條件下產(chǎn)生強(qiáng)烈的陀螺效應(yīng)。這種陀螺效應(yīng)有助于抵抗外部擾動(dòng)，保持機(jī)器人的飛行姿態(tài)穩(wěn)定。平衡環(huán)的材料和尺寸也經(jīng)過了精心計(jì)算和設(shè)計(jì)，以確保其既能提供足夠的穩(wěn)定性，又不會(huì)過分增加機(jī)器人的重量。
兩個(gè)微小的永磁體被固定在機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)上，它們的磁矩方向與外部磁場(chǎng)方向保持一致，以最小化磁能。這兩個(gè)永磁體是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)單軸交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵。當(dāng)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，永磁體會(huì)受到磁力矩的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺旋槳葉片轉(zhuǎn)化為升力，使機(jī)器人能夠在空中飛行。
永磁體的選擇至關(guān)重要。它們需要具有足夠的磁能積以產(chǎn)生足夠的磁力矩，同時(shí)又要足夠輕便以減小機(jī)器人的整體重量。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次篩選和測(cè)試，最終選擇了高性能的釹鐵硼永磁體，其直徑為1毫米，厚度為0.5毫米，每個(gè)永磁體的質(zhì)量為3.15毫克。
機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)制基于單軸交變磁場(chǎng)。外部磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，其頻率和強(qiáng)度可以精確控制。當(dāng)這個(gè)交變磁場(chǎng)作用于機(jī)器人上的永磁體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性變化的磁力矩。這個(gè)磁力矩驅(qū)動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力。
為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)外部磁場(chǎng)的頻率和強(qiáng)度進(jìn)行了精確的計(jì)算和優(yōu)化。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外部磁場(chǎng)的頻率與機(jī)器人螺旋槳葉片的自然頻率相匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)，從而顯著提高升力效率。同時(shí)，通過調(diào)整外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度，可以控制機(jī)器人的飛行速度和高度。
值得注意的是，由于機(jī)器人內(nèi)部存在空氣阻力和慣性力等非線性因素，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不是完全由外部磁場(chǎng)決定的。因此，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了先進(jìn)的控制算法，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的飛行狀態(tài)并調(diào)整外部磁場(chǎng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)的精確控制。
在微型飛行器的設(shè)計(jì)中，飛行穩(wěn)定性是一個(gè)至關(guān)重要的問題。傳統(tǒng)的飛行穩(wěn)定控制方法往往依賴于復(fù)雜的傳感器和控制系統(tǒng)，這會(huì)增加機(jī)器人的重量和成本。本研究通過創(chuàng)新的陀螺穩(wěn)定設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種無需復(fù)雜傳感器的飛行穩(wěn)定性控制方法。
如前所述，平衡環(huán)的設(shè)計(jì)增加了機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性矩，從而在高頻旋轉(zhuǎn)條件下產(chǎn)生強(qiáng)烈的陀螺效應(yīng)。這個(gè)陀螺效應(yīng)有助于抵抗外部擾動(dòng)，保持機(jī)器人的飛行姿態(tài)穩(wěn)定。此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過優(yōu)化螺旋槳葉片的形狀和尺寸，使其產(chǎn)生的不對(duì)稱氣流能夠?qū)C(jī)器人的飛行姿態(tài)產(chǎn)生微調(diào)作用，進(jìn)一步提高了飛行穩(wěn)定性。
▍實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人能夠自動(dòng)調(diào)整其滯后角（即永磁體旋轉(zhuǎn)角度與外部磁場(chǎng)變化之間的相位差）以適應(yīng)不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)變化。這種自適應(yīng)能力簡(jiǎn)化了飛行操作，使機(jī)器人能夠在不同條件下保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。
通過光學(xué)裝置和高速相機(jī)，研究人員測(cè)量了機(jī)器人在不同頻率和強(qiáng)度磁場(chǎng)下的角速度和滯后角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加，機(jī)器人的角速度也相應(yīng)增加，但滯后角卻保持在較小的范圍內(nèi)（如12°左右）。這種穩(wěn)定的滯后角關(guān)系對(duì)于維持機(jī)器人的持續(xù)穩(wěn)定飛行至關(guān)重要。
此外，研究人員還通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人的氣動(dòng)性能。結(jié)果表明，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加，機(jī)器人的升力和阻力均有所增加，但升力-阻力比（即升力與阻力之比）卻呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在雷諾數(shù)約為2500時(shí)，機(jī)器人的升力-阻力比達(dá)到了0.7，這一指標(biāo)優(yōu)于許多其他微型飛行器。
在飛行測(cè)試中，該機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)了向上飛行、懸停、避障和航跡調(diào)整等復(fù)雜動(dòng)作。向上飛行測(cè)試顯示，機(jī)器人在約138毫秒內(nèi)飛行了約4厘米的距離，平均垂直加速度為1.4米/秒2。懸停測(cè)試則表明，機(jī)器人能夠在空中保持一定時(shí)間的穩(wěn)定飛行狀態(tài)。避障測(cè)試中，機(jī)器人通過調(diào)整飛行軌跡成功避開了障礙物，并展示了良好的目標(biāo)擊中能力。
在碰撞測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人在碰撞后能夠迅速恢復(fù)飛行姿態(tài)，存活率高達(dá)76.5%。這一結(jié)果充分證明了該機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的魯棒性和可靠性。
▍結(jié)語與未來：
加州大學(xué)伯克利分校研究人員通過磁-力耦合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與低雷諾數(shù)氣動(dòng)優(yōu)化，研制出全球最小的可控?zé)o線飛行機(jī)器人，并在微型化、能效比與抗擾動(dòng)能力等核心指標(biāo)上取得突破，解決了傳統(tǒng)微型飛行器依賴線纜、控制笨重的難題。梯度磁場(chǎng)導(dǎo)航與陀螺穩(wěn)定技術(shù)的結(jié)合，為微型無人系統(tǒng)的自主化提供了全新的參考方向。盡管目前續(xù)航時(shí)間與三維控制方面仍需突破，但該研究已向昆蟲尺度的仿生機(jī)器人實(shí)用化邁出了關(guān)鍵一步。
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