http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-10-24
有翼DASH机器昆虫。
新浪科技讯 北京时间10月20日消息，据国外媒体报道，美国加州大学伯克莱分校科学家近日发明一种神奇的六足机器昆虫。研究人员为一个仅重25克的机器人装上六只脚和一对翅膀用来提高其灵活性，他们希望能够通过这只机器昆虫探秘早期鸟类和昆虫的飞行进化过程。
这只机器昆虫名为“动力自治爬行昆虫”(简称DASH)。DASH机器昆虫长约10厘米。研究人员发现，尽管翅膀大大提高了机器昆虫的灵活性，但是这个附加的装置并没有能够为昆虫从地面上飞起提供足够的速度。不过，翅膀的振动仍然提高了机器昆虫的空中性能，与鸟类等动物滑翔飞行的特点相似。
这项研究由美国加州大学伯克莱分校仿生微系统实验室科学家劳恩-费尔林教授带领的研究团队负责，他们的研究成果近日发表于《生物灵感和仿生学》杂志之上。研究人员指出，在研究飞行原理的过程中，采用机器人模型是一种非常有效的方法，特别是在化石证据有限的情况下。
DASH机器昆虫最初是由费尔林教授的研究生保罗-伯克梅尔于2009年研制。当时，DASH是一个轻量级的快速机器人，采用一些便宜的材料制成，由一个电池发动机提供动力。这种小尺寸的机器人最适合部署于一些危险区域，如倒塌的建筑中。不过，与其灵感来源蟑螂相比，DASH机器昆虫在奔跑时存在明显局限。对于小型机器人来说，翻越障碍物时如何保持平衡与稳定是一个关键难题。因此，研究人员为DASH机器昆虫装上了侧翼和尾翼，看是否能够有所帮助。
费尔林表示，“我们的目标就是让我们的机器人能够拥有与其他动物一样的全地形能力。在现实世界中，许多情况下飞行是一种比爬行更好的选择。而在另外一些狭窄空间中，飞行可能又不起作用。因此，我们需要一种既能跑又能飞的混合功能机器人。”
研究人员对四款不同结构的有翼DASH机器昆虫分别进行了测试，共中一款是只装有一个尾翼的，还有一款是只装有翅膀骨架的。当在发动机作用下振翅时，有翼DASH机器昆虫奔跑速度接近翻番，从原来的每秒0.68米提升至每秒1.29米。这种机器昆虫还能够爬上更陡峭的地形，爬行倾斜角度从5.6度提高到16.9度。
仿生微系统实验室研究人员凯文-彼得森介绍说，“我们发现，有了翅膀后机器昆虫性能立即得到提升。翅膀不仅仅让机器昆虫跑得更快，倾斜角度更大，而且还可以让机器昆虫在下行时能够保持正直。没有翅膀的DASH机器昆虫从八楼掉下来可能会幸存下来，但它在落地时往往翻了个，而它落在哪里也是由运气决定。”有翼DASH机器昆虫可以平衡下降，而不是自由落体式垂直降落。落地后，它还能够继续保持原有的姿势。
费尔林等人的研究成果引起了加州大学伯克莱分校动物飞行研究专家罗伯特-杜德利教授的关注。杜德利教授指出，飞行进化中的大多数关键理论都是从有限的化石记录和理论模型得出。“我们所获得的化石证据表明，早期鸟类祖先的四个翼上长有较长的羽毛，它们长长的尾翼上同样也有密集的羽毛。从机器原理讲，树栖飞行动物比地面动物更有飞行优势。”
不过，杜德利也认为，“有翼版本的DASH机器昆虫并不是完美的鸟类原型模型，如它拥有6只脚而不是2只，它的翅膀和尾翼是塑料的，而不是羽毛的。这些特点可能在回答鸟类进化方面存在局限。”(彬彬)
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哈佛大学展示可垂直飞行微型机器人(图)
这是研制实验室对外展示的一段录像中的截图，显示一台微型飞行机器人正振翅执行垂向飞行测试，系统采用了闭合线路控制
新浪科技讯 北京时间9月22日消息，最近美国的工程师们迈向昆虫仿生学微型飞行机器人研制的方向上又迈出了关键性步骤，离完全自主飞行的目标又进了一步。日前他们首次对外界展示了一台采用闭合线路控制的微型飞行机器人执行垂直飞行的情况。研制人员预计，他们借以控制垂直方向的方法也将最终帮助他们实现在全部三个轴向上实现自主操控。
来自哈佛大学微型机器人实验室的研制小组日前在最新一期的《生物灵感与仿生学》杂志上发表了他们有关世界第一种“可控仿生学垂直飞行机器人”的相关论文。他们采用的创新方法将有助于未来开发完全自治的，拥有灵活飞行能力的微型机器人。
研制小组成员佩雷兹·阿兰西比亚(Pérez-Arancibia)告诉记者说：“基本上，一个完全自治的微型飞行机器人可以做几乎所有一只普通蜜蜂或苍蝇能做的事情：起飞，降落或者在复杂环境中飞行。在未来，我设想这种微型机器人还将学会自我调整以适应周遭环境，并与其它飞行机器人相互协作完成复杂任务使命，甚至和真正的昆虫之间相互交流。这一定很酷！”
尽管他们说的轻松，真正制造一个完全自治的卫星飞行机器人可绝非易事：空气动力学，传感器，微型马达，以及其他诸多因素必须进行综合考虑。为了简化问题，研制人员们决定首先将注意力集中于一个问题上：飞行高度控制。
于是他们设计了一台采用仿生学振翅模式飞行的，重量仅有56毫克的微型飞行机器人，并将其限制在一个只能上下两个方向移动的空间内。飞行器通过拍动翅膀获得升力，它振动翅膀频率越高，升力就越大。
研究人员解释说，为了设计控制系统，即一整套产生系统输入信号的规则，研制人员们采用了两套独立的实验步骤。在第一套实验中，研制人员收集微型机器人动力学方面的静态实验数据，如让机器人拍打翅膀，但是将其固定住不让它移动。两台传感器将测量微型马达产生的马力，以及拍打翅膀产生的力量大小。有了这些信息，研制人员便可以大致确定控制器的基本结构。而为了进一步明确相关设计，科学家们需要收集更多的数据。在这一轮测试中他们让微型飞行机器人上下运动，进行垂直飞行。正是在这一阶段，他们实现了昆虫级别仿生飞行机器人的首次垂直飞行测试。
阿兰西比亚博士解释说：“闭合线路意味着某项操作执行的回馈信号会被自动输入自身控制系统并产生新的输出指令。在这一特定案例中，飞行机器人的高度数据由外界激光测量系统提供，随后这些信息被控制系统用于生成控制指令并发出相应指令，以便驱动翅膀拍打振动。请注意在此过程中高度是不断变化的，飞行器必须进行相应的调整。”
在测试过程中，研究人员展示了这一微型飞行机器人具备在某一高度悬停或按照指令飞向另一高度的能力。另外，当研究人员用喷气管去施加气流干扰时，飞行机器人也能采取相应措施排除干扰因素保持高度稳定。而最令人瞩目的是，这个小小的，仅重56毫克的飞行机器人竟然能产生相当于其体重3.6倍的升力，这就意味着它将有能力“背负”包括转向控制设备，感受器和微型电源在内的各种附加载荷。这些装备的加装将赋予飞行机器人更加强大的能力。
阿兰西比亚博士说：“可以预计，如果批量生产，这种小机器人的造价将非常便宜。因此它们将非常适用于被派往那些人员无法企及的危险区域进行侦查，探索并发回情报。比如它们可以被派往火灾地区，受严重污染的地区，如危险化学品扩散区，辐射区甚至疫病蔓延地区或倒塌的建筑内部执行侦查任务。它们将是进行现场生物学研究的绝佳助手。想象一下吧，你可以一次派出1000~2000只机器蜜蜂‘蜂拥’进入亚马逊雨林对那里的大树进行各种角度的详细观察。或者让一组微型飞行机器人跟踪那些从墨西哥到加拿大进行千里迁徙的美洲帝王蝴蝶，等等。甚至还有人提出用它们进行人工授粉。”
而现在，研究工作正在迅速取得突破性进展，人们正朝着实现完全自治的微型飞行机器人的目标快步前进。阿兰西比亚说：在哈佛大学微型机器人实验室，我们是一个小组。我们将全力工作，力争实现这一目标。” (晨风)
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