昆虫无人机是什么？昆虫无人有什么优势？

每秒扇翅 500 次，重量仅 0.6 克，碰撞翻滚后也能立即复飞，这可不是某种昆虫，而是真真正正的人造无人机。

图 | 飞行中的“昆虫无人机”(来源：受访者)

其大小好比一只大黄蜂，外观就像长着翅膀的磁带盒，身体主要由四部分组成：机身、传动装置、机翼铰链和机翼。

图 | 本次研究中的“昆虫无人机”机器人(来源：受访者)

灵感来源于经常蛰我们的蚊子：如果蚊子趴在脸上，哪怕迅速拍它，它也有可能溜走，并能迅速飞回脸旁继续 “嗡嗡嗡” ，这固然令人讨厌，但也说明蚊子等小昆虫拥有极高的飞行弹性。再比如，一只果蝇倒立在天花板上时，40 毫秒内即可翻转过来。

图 | “昆虫无人机”的机翼(来源：受访者)

昆虫的这些功能看似“不起眼”，但一直都难以在人造飞行机器人中实现，而前文的“昆虫无人机”，正是由麻省理工学院(MIT)电气工程与计算机科学系助理教授 Kevin Chen 研发出来的带有“昆虫功能”的人造飞行机器人。

相关论文已于近日发表在 IEEE Transactions on Robotics 杂志上，论文标题为《昆虫大小高灵敏、抗碰撞的弹性飞行器》(Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility)。

图 | 相关论文(来源：受访者)

谈及研究初衷，Kevin Chen 表示很多无人机都非常大，且多数用于户外飞行。但是几乎没有可在复杂、混乱空间中飞行的昆虫大小的无人机。

他说，“昆虫无人机”的构造，完全不同于大型无人机，后者通常由电动机提供动力，把这种电动机缩小后并用在“昆虫无人机”中，其效率反而会降低，因此要给“昆虫无人机”寻找电动机的替代品。

图 | 起飞中的“昆虫无人机”(来源：受访者)

此前的主要替代方案，是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性执行器，但这种执行器非常脆弱，如果把它用于“昆虫无人机”，很难承受大约一秒一次的碰撞。为此，他们研发出一种新型弹性介电体驱动器。

“昆虫无人机”的 “心脏”：新型弹性介电体驱动器

据悉，Kevin Chen 通过使用软驱动器，设计出一种弹性更好的新型弹性介电体驱动器，这种驱动器由薄橡胶圆柱体制成，圆柱体上包裹着碳纳米管。

图 | 由驱动器提供动力的 665 mg “昆虫无人机”的透视图(来源：受访者)

当给碳纳米管输送电压时，静电压力就会产生，进而会挤压和拉长橡胶圆柱体，这种反复的挤压和拉长，可让“昆虫无人机”的翅膀快速扇动。

图 | 振翅飞行(来源：受访者)

概括来说，驱动器是提升无人机性能的关键。在驱动器中，弹性体片材的长度、宽度和厚度分别为 8 毫米、50 毫米和 210 微米。在弹性体被卷成圆筒后，碳纤维帽被连接到两端，并能同时连接电气和机械。

制作过程中，该团队通过降低接触电阻、来提高电阻生产效率。总之，这种新的驱动器可在更高电压和更高频率条件下驱动，并且在共振和自由位移测试中表现更好。

最终设计出的驱动器，可让翅膀每秒钟拍动 500 次，无人机借此拥有真正类似昆虫的灵活性。

在飞行时，如果你用手击中它，它也能像拍不死的蚊子一样，可在 0.16 秒内恢复飞行，此外还能进行空中翻腾等动作。

图 | “昆虫无人机”扑翼运动特性研究(来源：受访者)

据悉，相比该团队之前的工作，本次设计的新型驱驱动器，其输出功率的密度相比以前提高了 100%，换能效率提高 560%。

概括来说，驱动器好比“昆虫无人机”的 “心脏”，搞定 “心脏” 后，他们开始设计无人机的其他 “器官”。

基于新的数据分析，他们重新设计了无人机的变速器、机翼铰链和机翼等，其中机翼的骨架材料是碳纤维，翅膀是聚酯纤维，看起来有蝉翼般的逼真感。

图 | 图示位置为驱动器(来源：受访者)

最终诞生的“昆虫无人机”，除可以进行悬停飞行以外，还拥有 70 厘米 / 秒的上升速度。据该团队介绍，这一速度使得该无人机成为目前最快的软移动机器人之一。

此外，该无人机的升力重量比为 2.2:1，这意味着它可携带约等于其重量的有效载荷。

经初步测试和计算，使用现成的锂聚合物电池(LiPo)，可让无人机大约飞行 10–30 秒，其中无人机下面的合金线，主要用于供电。任智健告诉 DeepTech：“目前还是通过控制器输出信号，经过电压放大器增压之后给无人机供电。我们的下一步计划就是让无人机携带电池‘更加自由’地飞行。”

图 | 无人机下面的金属线(来源：受访者)

“昆虫无人机”的设计：遇到碰撞依旧能 “活下来”

比起此前工作，本次机器人的传输长度从 400 微米增加到 500 微米，铰链尺寸分别调整为 2.05 毫米和 0.10 毫米。

其中，铰链由 12.7 微米厚的聚酰亚胺薄膜制成。新的驱动器、机器人变速箱和机翼铰链“强强联合”，相比此前工作，该无人机的净升力提高 83%。

他们还进一步改进了机翼设计，从而让无人机可在更大气动载荷下工作，并能在遇到碰撞时 “活下来”。

在提高机翼刚度上，该团队使用了一种新型碳纤维。他们还对翼根位置进行了修改，飞机内梁由曲线设计、变为直线设计，这样可提高机翼的碰撞鲁棒性。

另外，机翼的前缘翼梁和对角翼梁，都与碳纤维的方向对齐，这样可增加机翼的刚度，从而帮助无人机在遇到碰撞时可以恢复飞行、以及做出空翻等动作。

在飞行展示中，他们还发现该无人机可实现可控的悬停飞行，如下图，这是无人机在飞行中出现 10 秒悬停的图像序列。

在这次 10 秒的悬停飞行中，高度误差小于 0.5 厘米，xy 平面的漂移小于 4 厘米。

在悬停飞行期间，驱动器的输入电压幅度在悬停条件下缓慢变化，电压上下浮动为 20V。相反，在机身快速翻转过程中，驱动器的电压幅度在 2-3 次拍打翅膀(60 毫秒)时，将从近 2000V 下降到 200V 以下。

大幅的电压变化，会给驱动器带来极大的瞬时应变，但由于驱动器由弹性体制成，因此承受力比刚性驱动器更强。

为展示无人机的敏捷性，他们还进行了受控上升飞行，拟合结果表明，无人机的上升速度达到 70 厘米每秒，相比他们之前的工作，其最大上升速度提高了两倍以上。

除了演示悬停和上升飞行，该无人机还可通过反馈控制，从飞行中的碰撞中恢复。下图 a–c 显示了第一次碰撞恢复演示，演示中他们将无人机向下推，但这种扰动对其影响可以忽略不计。

无人机被击中后，机身高度降低 4 厘米，然后它逐渐回到悬停设定点。这说明，在飞行干扰中，“昆虫无人机”有足够的控制能力和恢复能力。

期间，为验证无人机的空翻能力，他们做了五次实验。

据悉，空翻演示需要驱动器来处理输入信号的巨量瞬时变化。

谈及应用，任智健表示：“它基本可用于目前所有无人机的应用场景，在搜救和探索上，可进入更加狭小封闭的空间。其他应用领域还有野生自然环境的考察、农作物授粉等。受益于仿生和微型的优势，这款无人机基本不会干扰到野生动物。”

他补充称：“最近的毅力号火星车上搭载了最新的无人机，由于大气稀薄，必须增加成倍的转速才能起飞运作。而我们此次设计的软体介电驱动器，在高频运动上比传统电机更有优势，同时在低重力环境下，也不影响无人机的飞行。”

两地成团，均为华裔或华人完成

该研究主要由 Kevin Chen、以及 Kevin Chen 的学生任智健、哈佛大学软机器人学在读博士生 Siyi Xu、香港城市大学生物医学工程系副教授 Pakpong Chirarattananon 等人完成。

其中，Kevin Chen 曾在哈佛大学微机器人实验室负责人 Robert J. Wood 教授的指导下获得了哈佛大学工程科学博士学位。他的工作重点是开发能够在海陆空之间移动和转换的昆虫级机器人。他的此次研究，等于毕业后再次和自己的导师合作。

任智健今年 26 岁，是本次论文的第三作者，他是一位上海小伙，师从 Kevin Chen 之前，曾在卡内基梅隆大学获得机械工程硕士学位，更早之前在上海交通大学获得自动化学士学位。他告诉 DeepTech：“因为疫情的关系，我去年暑假远程协助了这篇文章部分数据处理和分析的工作，看到无人机成功翻跟斗的动作时我感觉自己离梦想又更近了一步。”

关键词： 昆虫无人机