机器人RoboBees实现首次受控飞行

一项新的研究和视频详细介绍了机器人RoboBees的首次受控飞行。

去年夏天，在哈佛机器人实验室，一只昆虫飞了出来。它只有回形针的一半大小，重量不到十分之一克，跳了几英寸，在脆弱的拍打翅膀上盘旋了片刻，然后沿着预设的路线在空中飞驰。

就像一个骄傲的父母看着孩子迈出第一步一样，研究生Pakpong Chirarattananon立即捕获了这只雏鸟的视频，并于凌晨3点通过电子邮件发送给他的顾问和同事-主题行：“ RoboBee的飞行。”

“我非常激动，无法入睡，”本周在《科学》杂志上发表论文的共同主要作者奇拉拉塔南农回忆道。

昆虫大小的机器人第一次受控飞行的演示是十多年来工作的高潮，该研究是由哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员领导的。

昆虫大小的机器人首次受控飞行的演示是十多年来工作的高潮，该研究是由哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员领导的。该机器人的重量仅为回形针的一半，重量不到十分之一克，其灵感来自于苍蝇的生物学特性，具有亚毫米级的解剖结构和两个极薄的机翼，每秒可拍动120次，几乎看不见。

Wyss核心教员，国家科学基金会资助的首席研究员，SEAS查尔斯河工程与应用科学教授Robert J. Wood表示：“这是我过去12年来一直在努力的工作。” RoboBee项目。“这真的仅是因为该实验室在制造，材料和设计方面的最新突破，我们才能够尝试这样做。而且效果很好。”

这种微小的装置受到苍蝇生物学的启发，具有亚毫米级的解剖结构和两个极薄的机翼，几乎每秒不可见地摆动，每秒120次，这种微型装置不仅代表了微制造和控制系统的绝对尖端，而且是一种愿望多年来，哈佛的数十名研究人员推动了这些领域的创新。

“我们必须从头开始为所有问题开发解决方案，”伍德解释道。“我们将使一个组件正常工作，但是当我们移至下一个组件时，将出现五个新问题。这是一个移动的目标。”

例如，飞行肌肉并未预先包装成指尖大小的机器人。

SEAS的共同主要作者之一凯文·马（Kevin Y. Ma）说：“大型机器人可以在电磁电动机上运行，​​但是在如此小规模的情况下，您必须找到另一种选择，而没有其他选择。”

微型机器人用压电致动器拍打翅膀。压电致动器在施加电场时会膨胀和收缩陶瓷条。嵌入在碳纤维车身框架中的塑料细铰链充当接头，精细的平衡控制系统控制着襟翼机器人的旋转运动，每个机翼均被实时独立控制。

在很小的规模上，气流的微小变化会对飞行动力学产生巨大影响，而控制系统必须做出更快的反应才能保持稳定。

机器人昆虫还利用了伍德团队在2011年开发的巧妙的弹出式制造技术。将各种激光切割材料制成的薄片分层并夹在一块薄的平板中，该平板像孩子的弹出书一样折叠成完整的机电结构。

快速，循序渐进的过程取代了过去繁琐的手工工艺，使Wood的团队可以在新的组合中使用更坚固的材料，同时提高每个设备的整体精度。

马云说：“我们现在可以非常迅速地构建可靠的原型，这使我们能够更加积极地测试它们。”他补充说，该团队在过去六个月中已经完成了20个原型。

RoboBee项目的应用程序可以包括分布式环境监控，搜索和救援操作，或在作物授粉方面提供协助，但是沿途出现的材料，制造技术和组件可能会变得更加重要。例如，弹出式制造过程可以启用一类新型的复杂医疗设备。哈佛大学技术发展办公室与哈佛SEAS和Wyss研究所合作，已经在进行一些基础技术的商业化。

“利用生物学解决现实世界的问题是Wyss Institute的全部宗旨，” Wyss创始董事Don Ingber说。“这项工作是一个美丽的例子，说明了如何将来自不同学科的科学家和工程师召集在一起，进行受自然启发并专注于翻译的研究可以带来重大的技术突破。”

并且该项目继续进行。

伍德说：“现在，我们有了这个独特的平台，我们将开始进行数十项测试，其中包括更激进的控制演习和着陆。”

此后，下一步将涉及整合许多不同的研究团队在大脑，菌落协调行为，电源等方面的并行工作，直到机器人昆虫完全自主和无线。

由于没有现成的能量存储解决方案，这些解决方案的体积很小，无法安装在机器人的身体上，因此原型机仍通过非常细的电缆进行束缚。在RoboBees能够独立飞行之前，必须开发高能量密度的燃料电池。

尽管由SEAS教授Gu-Yeon Wei和David Brooks领导的团队正在研究可安装在机器人框架上的高效计算的大脑，但控制权仍然可以通过单独的计算机进行连接。

伍兹团队的博士后研究员共同研究者Sawyer B. Fuller指出：“果蝇仅用很小的大脑就能完成自然界中最令人惊叹的特技飞行。”他主要研究果蝇如何应对大风天。“他们的能力超出了我们机器人的能力，因此我们希望更好地了解他们的生物学并将其应用于我们自己的工作中。”

这次首次受控飞行的里程碑代表了雄心勃勃的梦想的力量的证明-特别是对于伍德，伍德在制定这一目标时正读研究生。

伍德说：“该项目为整个大学的科学家和工程师提供了共同的动力，他们可以制造更小的电池，设计更高效的控制系统以及制造更坚固，更轻便的材料。”“您可能不会期望所有这些人一起工作：视觉专家，生物学家，材料科学家，电气工程师。他们有什么共同点？好吧，他们都喜欢解决非常棘手的问题。”

“我想创造一种世界从未见过的东西，”马云补充道。“这是激发我们认为自己能做的极限，人类创造力的极限的激动。”

出版物：Kevin Y. Ma等人，“受生物启发的昆虫规模机器人的受控飞行”，《科学》，2013年5月3日：卷340号6132第603-607页； DOI：10.1126 / science.1231806

图像：马云（Kevin Ma）和Pakpong Chirarattananon