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师承果蝇,能悬浮、倾斜和转弯,机器人飞行大师来了

核心提示:飞行类昆虫,比如蜜蜂、蜻蜓和果蝇,都有高超的飞行技术。这些技术往往在逃避天敌或者躲避人类袭击的时大展身手。近日,荷兰科学家制作了一

飞行类昆虫,比如蜜蜂、蜻蜓和果蝇,都有高超的飞行技术。这些技术往往在逃避天敌或者躲避人类袭击的时大展身手。近日,荷兰科学家制作了一个拥有类似机动性能的飞行机器“昆虫”。尽管体积比昆虫大多了,它还是帮助人类了解了这些自然界的高手是如何飞行的。这项研究发表在了近日的 Science 上。

师承果蝇,能悬浮、倾斜和转弯,机器人飞行大师来了
图丨这个灵巧的机器人“Delfly Nimble”正在他的创造者 Matej Karasek 面前悬停。(图源:Henri Werij, 荷兰代尔夫特理工大学)

很长一段时间,科学家们都认为昆虫的翅膀的工作原理与飞机翅膀一致。翅膀的上下振动引起上下表面的空气流动。由于翅膀的斜面结构,下方的气压高于上方,产生升力使得身体升空。(这是个简要解释,具体的空气动力学参照伯努利原理,这里不做赘述。)但在 1990 年前后,动物学家 Charles Ellington 对这一原理进行了测试。他将各种昆虫放在风洞中试验,结果表明,传统理论产生的升力并不足以帮助昆虫飞行。

Ellington 接下来的研究表明,一种在翅膀前端的稳定涡流可能是昆虫飞行的真正助力。当涡流形成时,它沿着翅膀向末端螺旋流动,将外界空气抽出维持飞行。这一理论解释了昆虫如何悬空,但是没有解释它们如何作出复杂的机动动作,比如快速转弯。这很可能是由于昆虫的翅膀能够轻微旋转,从而调整涡流,获得一侧的额外升力,最终完成转向。不过仍有很多谜团等待科学家探索。因此,这个机器昆虫被制作出来辅助研究。

师承果蝇,能悬浮、倾斜和转弯,机器人飞行大师来了
图 | DelFly Nimble 机器昆虫在空中悬停(图源:Henri Werij, 荷兰代尔夫特理工大学)

荷兰代尔夫特理工大学的 Matej Karasek 长久以来一直对飞行昆虫的敏捷动作着迷,并认为这能够启发他制作无尾振翅的机器人。

他说:“这项研究主要困难在于,如何设计翅膀的传动机构,从而让机器昆虫能在身体的三个轴线上独立运动。”而且这个机构还需要足够的轻巧,让机器昆虫能够载得动它。果蝇的飞行技术为研究提供了根据。Karasek 将机器人编程,模仿前面提到的飞行理论。试验成功了,DelFlyNimble 飞行机器人由此诞生。这个机器人的翅膀每秒钟拍动 17 次,在提供升力的同时也能通过轻微调整翅膀运动来控制飞行方向。机器人可以悬停,或向任何方向飞行(上、下、前、后、侧向)、倾斜转弯、 360 度旋转,还能做筋斗和桶滚特技。这些都是果蝇的飞行技能,尽管这个机器人比果蝇大多了。这个机器人的能量效率也很优秀,能在空中悬停 5 分钟,或者单程飞行 1 公里。

Karasek 说:“和动物试验相比,我们对机器人‘大脑’有完全的控制能力。这让我们能够发现并记录一个新的被动空气动力学机构。这个机构能帮助果蝇在快速侧飞时把控方向。”所以,在逃跑动作中,果蝇不需要一个额外的主动反馈机构来控制飞行了。

Karasek 还表示:“这个机器人为我们的昆虫研究带来了新的可能,不过它仍然是一种全新的有独门绝技的飞行机器人。”由于其高效飞行能力和更佳的操纵性,昆虫仿生无人机在未来可能会比现有的无人机更有前途。而且由于使用现有工艺和组件,DelFly Nimble 机器人制造成本也相对低廉。


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