开元官网蜜蜂、瓢虫……是它们的设计灵感来源盘点那些会“飞”的仿生机器人

　　提到飞行机器人，很多人首先想到的是在室外捕捉优美镜头的航拍无人机，或者是为干饭人服务的无人配送飞行机器人。

　　尽管飞行机器人已经广泛应用到我们的日常生活中，但其活动范围仅限于室外开放环境。因为现有的飞行机器人通常体积较大，而且碰撞往往会对机器人造成不可逆的损伤。相比之下，自然界中一些具有飞行能力的昆虫在进食、躲避天敌、授粉和构建巢穴等任务中表现出了非凡的机动性和灵活性。例如，一只果蝇可以轻松倒立在天花板上，被雨滴击中的蚊子可以在0.2 s内迅速恢复稳定。

　　受这些生物的启发，研究者们已设计出具有类似飞行能力，如快速转弯、快速避障、碰撞感应和碰撞恢复的拍翼式微型飞行机器人……

　　当生活把你击倒时，你必须站起来 —— 瓢虫从最字面的意义上为大家诠释了这句话的含义。当瓢虫“四脚朝天”的时候，瓢虫会通过鞘翅（称为elytra）在极短的时间内（零点几秒）来稳定自己的身体，然后伸出腿或后翅，通过俯身实现自我扶正。受此启发，研究人员研发了一架搭载人造鞘翅（artificial elytra）的新型无人机。

　　仿真和实验表明，人造鞘翅不仅可以帮助固定翼无人机从危险位置打捞出来，而且还可以改善飞行器在飞行过程中的空气动力学性能。该研究成果发表在7月9日的《IEEE机器人技术与自动化快报》上。Charalampos Vourtsis是瑞士洛桑联邦理工学院智能系统实验室的博士助理，他共同创造了这一新设计。他指出，“包括瓢虫在内的甲虫已经存在了数千万年。”在这段研究时间里，他们开发了几种生存机制，我们发现了瓢虫翅膀是现代机器人应用的灵感来源，”他说。

　　他的团队对甲虫的鞘翅特别感兴趣，对瓢虫来说，鞘翅是瓢虫的黑红色斑点外翅。在鞘翅下面是后翅，一种半透明的附属物，实际上用于飞行。当被卡在背上时，瓢虫用它们的鞘翅来稳定自己，然后推动它们的腿或后翅，以便俯仰并自行右转。Vourtsis的团队设计的微型飞行器（Micro Aerial Vehicles，MAV）使用了类似的技术，但带有执行器以提供自扶正力。“与昆虫类似，人工鞘翅虫的特点是自由度，如果车辆翻转或倒置，它们可以重新定位车辆，”Vourtsis解释道。

　　研究人员测试了不同长度和不同弧度的人造鞘翅，来寻找与固定翼无人机的最佳组合。人造鞘翅的弧度角度对无人机的自动扶正功能几乎没有影响，但人造鞘翅的长度将会影响扶正效果。实验发现，较长的鞘翅可以帮助无人机更快地完成自动扶正。该项研究还对无人机的飞行环境进行了实验。在平坦坚硬的表面上，较短的鞘翅长度产生了不同的结果。然而，长度越长，成功率越高。然后，在10°、20°和30的不同坡度和不同方向上对较长的鞘翅进行测试。研究人员发现无人机基本上在任何倾斜角度的地面上都可以通过鞘翅完成自我扶正。

　　该设计也在七种不同的地形上进行了测试：路面、粗砂、细砂、岩石、贝壳、木屑和草地。除草地和细沙外，无人机在其他场景中完成自我纠正的成功率达到百分百。Vourtsis指出，目前的设计是由广泛可用的材料和甲虫鞘翅的简单比例模型制成的，但进一步优化可能有助于无人机在这些更困难的地形上自行调整。

　　“蜻蜓”具有复杂的飞行特性，Festo公司已经设法将这些复杂的机制整合到仿生旋翼机器人“蜻蜓”上。就像真正的蜻蜓一样，这个机器人非常轻，可以向各个方向飞，可以在半空中盘旋，不需要拍打翅膀就可以滑翔。为了控制每个翼的扑动频率和扭转，在其上安装了振幅，通过倾斜机翼来确定推力的方向开元官网。

　　通过结合所有这些方面，这种遥控蜻蜓可以被导向空间中的任何位置。轻型结构和传感器、执行机构、控制系统等部件的组合使这种机器人具有独特的飞行方式。仿生旋翼机器人蜻蜓是非常有用的，比如交换秘密信息，间谍摄像头，科学项目，探索难以到达的地方等等。

　　该仿生机器人分为以下几个模块：1.动力模块，蜻蜓身体两侧可以安装伺服电机。翅膀由轻质金属混合太阳能电池板构成，兼顾飞行需求和能量补充。2.能量储存模块，位于蜻蜓尾部，长柱状结构能够容纳聚合物电池，作为伺服电机和其他设备的动力来源开元官网。3.控制模块。蜻蜓的躯干可以充分的容纳控制电路板，控制蜻蜓的飞行以及协调各个其他部位的运行。4.信息采集模块。蜻蜓的头部拥有很好的广角，合适的微型摄像机能清晰的捕捉图像信息

　　扑翼飞行器在飞行控制方面有比较好的表现。起飞和降落时都可以把相对飞行速度控制在一个很低的水平，只需要在蜻蜓原本的腿部安装轻质弹性结构，就可以比较好的满足起飞和降落需求。考虑到降落时的导航误差，也可以考虑用铺开的弹性大网回收扑翼飞行器。

　　飞行昆虫的机器人版本在许多应用中具有很大的前景，但是在飞行中控制它们的偏航轴已经被证明具有挑战性。然而，一个新的蜜蜂机器人通过一个巧妙的设计解决了这个问题。

　　什么是偏航轴？如果你想象一架飞机有一条垂直轴，上下贯穿其重心，偏航描述了其机头相对于该轴的横向运动。当你在办公椅上来回扭动时，你是在椅子的偏航轴上旋转。在扑翼MAV（微型飞行器）上，沿着这个轴线的运动一直很难控制开元官网。因此，这些微小的无人机在整个飞行过程中通常只朝向一个方向。

　　不过，在以前研究的基础上，Néstor O. Pérez-Arancibia教授和华盛顿州立大学的同事们创造了一个受蜜蜂启发的机器人/无人机，可以做扭转。该设备被称为Bee++，它有四个由碳纤维和胶布制成的翅膀，每个翅膀都由一个单独的执行装置操作。为了改变MAV的俯仰（机头向上或向下），前翼的扇动速度与后翼不同。而为了使它向一侧或另一侧滚动（同时仍面向正前方），左翼和右翼又会以不同的速度拍打。通过增加左前翼和右后翼，或右前翼和左后翼的拍打速度来实现向左或向右偏航--增加的幅度从每秒100次到160次。重要的是，相对于机器人的身体，前翼在一个方向上倾斜，而后翼则在相反方向上倾斜。

　　研究报告的共同作者Ryan Bena告诉我们：通过将两个翅膀安装在一个特定的角度，另外两个翅膀安装在相同的角度，但向相反的方向倾斜，当所有四个翅膀以相同的速度拍打时，力和扭矩抵消，净扭矩为零。然而，当我们想产生一个偏航扭矩时，我们只需独立地改变每个翅膀的拍打速度，使净扭矩不再为零。

　　希望类似Bee++的无人机最终能在狭小空间的搜救侦察、环境监测、甚至农作物的人工授粉等应用中找到用途。有关这项研究的论文最近发表在《电气和电子工程师协会机器人学期刊》（IEEE Transactions on Robotics）上。

　　总结一下，仿生机器人是利用仿生学的原理，设计和制造具有类似生物体结构、功能和行为的机器人。通过仿生技术，机器人可以更好地适应环境，具有更好的机械性能和可靠性。仿生机器人的应用前景非常广泛，可以用于医疗、军事、工业、农业等领域。未来，随着技术的不断发展和创新，仿生机器人将会有更多的应用场景和发展空间。开元官网蜜蜂、瓢虫……是它们的设计灵感来源盘点那些会“飞”的仿生机器人