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悬停太累,让飞行器挂在树叶上“休息”吧

学术/学科 / 工程学 养生小编 来源:互联网 134浏览 0评论

1/8慢速播放。原视频来自:M.A.Graule, et.al

一只“小蜜蜂”扇动着它的翅膀,飞到一片树叶上稳稳地停住,在这里进行片刻休息。不,这一次它其实是倒挂在树叶下方的。

不仅是树叶,玻璃、木头等不同类型的表面,都可以成为它倒悬吸附的栖身之所。休息片刻之后,“小蜜蜂”又从表面上脱离下来,轻松地起飞了。

“小蜜蜂”吸附在木质胶合板上。原视频来自:M.A.Graule, et.al

解除吸附,再次起飞。原视频来自:M.A.Graule, et.al

这个只有硬币大小的小家伙其实是一种名叫RoboBee的微型飞行器,它由来自麻省理工大学和哈佛大学的研究者们研发,有关它的论文5月20日登上了《科学》期刊[1]。依靠经静电吸附,“小蜜蜂”机器人可以稳稳地倒挂在多种物体表面上。这样做,不仅方便微型飞行器执行任务,还能大大降低能量消耗。

悬停太累,找个地方“歇歇脚”

现在,无人机可以说是人气最高的高科技产品之一。有了无人机,监测、侦查、科学研究都会变得更加方便。无人机在空中也可以平稳地悬停,但问题是,如果它们一直保持飞行状态,能量消耗就会相当可观,用不了多久,自带的电池就要消耗殆尽了。对于那些像昆虫一般体型迷你的飞行器来说,续航问题尤其令人头疼。

RoboBee与硬币的大小对比。对微型飞行器而言,悬停带来的能量消耗是个令人头疼的问题。图片来自:M.A.Graule, et.al

如何解决这个问题?向自然界中的昆虫、鸟类和蝙蝠们学习吧。这些飞行的动物都非常擅长休息,一个树枝、一片树叶、一朵花或是陡峭的山壁,都可以成为它们中途休息的驿站。如果把悬停改成附着在物体表面待命,那飞行器也可以节省很多能量。

此前,科学家和工程师们就在研发可以附着在物体表面的飞行机器人,这些飞行器通过粘附力、磁力或是戳刺等方式停留在物体表面。不过,这些方法仍有许多不足之处。首先,类似的装置对飞行器的尺寸有要求,很难复制到尺寸更小的微型机器人上;其次,用上述方法吸附到物体上,在飞行器再次起飞时会遇到很大阻力。

有没有什么办法,即可以让微型机器人稳稳地停留在物体表面,又可以在起飞时轻易地离开呢?

戴上“电草帽”的机器人

这一次,来自麻省理工大学和哈佛大学的研究者们提出了一个全新的解决方案。这种名为RoboBee的微型飞行器,可以依靠静电倒悬吸附在一系列不同材质的物体表面,吸附静止时消耗的能量只有飞行状态的千分之一。而且,一旦切断电源,静电力立马消失,机器人又可以轻松地重新起飞。

图片来自:参考文献1

这款微型机器人具有两片翅膀,同时,为了产生足够大的静电吸附力,研究人员给它装上了一个又大又扁的头,看起来就像戴了一顶硕大的“草帽”。这个头部吸附装置用碳纤维作为基座,上面放置高分子材料做的圆盘,并在圆盘表面镀上薄薄的一层铜电极,通电后可产生上千伏的电压。这个又扁又平的大头虽然长得很奇怪,但是,头部电极可以与物体表面之间产生出静电吸引力,从而将微型机器人吸附在大多数物体表面,包括用其它方法难以栖息的物体,例如玻璃、木头,甚至树叶。

在“大帽子”下面,RoboBee机器人还长着一小块聚氨酯海绵组成的“脖子”。它起到支撑与减震的作用,可以避免机器人附着到物体表面时被弹开。研究人员还为机器人配备了可视化的自动监控系统,以便其能更好地完成降落与起飞。可谓“麻雀虽小,五脏聚全”。这个机器人的重量只有约100毫克,这甚至比一只蜜蜂还要轻。

摆脱吸附,轻松起飞

飞行过程中,当机器人需要暂时停留时,它的头部会逐渐靠近要停留的表面,然后接通电路使头部电极带正电或负电。由于静电感应现象,要停留的物体表面会产生相反的电荷。由于机器人很轻,正负电荷的吸引力足以把它牢固地吸附在物体表面。而当电路断开后,静电吸附不复存在,无人机又可以重新起飞。

研究人员还进一步研究了影响机器人静电吸附的因素,发现空气湿度、物体表面灰尘、以及表面粗糙等,都会导致静电吸附力下降。为了产生足够的吸附力,保证机器人平稳降落,需要采用1000伏以上的电压。此外,由于静电吸附的力量有限,因此飞行器不能太重。

静电吸附机器人有什么用?

其实,早在几年前,就有科学家将“静电吸附效应”应用在机器人领域[2],利用静电吸附来抓取易碎的物品。而这一次,在RoboBee机器人身上,静电吸附效应被进一步发扬光大。科学家们希望在未来,小巧轻灵的RoboBee机器人能够利用飞行灵活、耗能少、续航时间长的优势,在包括灾区搜救、环境检测、军事行动等众多场合中扮演重要的角色。

想像一下,无数小巧的RoboBee机器人栖息在在大树、高楼、山峰之上,成为人们“高空的眼睛”;或者在人迹罕至的地方,源源不断地发送信号,帮助人们保持通讯畅通。RoboBee机器人,会成为未来机器人时代中“辛勤的小蜜蜂”吗?(编辑:窗敲雨)

参考资料:M. A. Graule, P. Chirarattananon, S. B. Fuller, et al. Perching and takeoff of a robotic insect on overhangs using switchable electrostatic adhesion. Science 20 May 2016: Vol. 352, Issue 6288, pp. 978-982 DOI: 10.1126/science.aaf1092J. P. D. Tellez, J. Krahn, C. Menon, et al. Characterization of electro-adhesives for robotic applications, 2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 2011, 1867-1872. DOI: 10.1109/ROBIO.2011.6181562http://www.aaas.org/news/science-bio-inspired-robot-perches-resumes-flight