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翅膀比四轴更好？蝙蝠机器人无人机

17-2-4 15:53| 发布者: rcfans| 查看: 4520| 评论: 10|来自: leiphone

如今，如果你想要一台身形小巧、操控灵敏、速度快的飞行器，四轴飞行器是最好的选择，它们造价相对便宜，普通人就能操控。不过，从理论上来讲它并不是最棒的飞行平台，因为自然界里可没有这样的怪家伙，动物们都靠扇动翅膀飞行，因为这样的的飞行方式效率更高，而且机动性更强。不过，人类现有的技术暂时还无法制造类似动物的翅膀，此外对飞行姿态的控制也是难上加难。因此，我们依然要靠四轴飞行器。

不过，科技进步无止境，来自伊利诺伊大学和加州理工学院的 Alireza Ramezani、Soon-Jo Chung 和 Seth Hutchinson 誓要将跨过这两道坎，给机器人插上翅膀。于是他们开始动手研发机器蝙蝠了。机器蝙蝠（B2）的研发历时数年时间，去年研究人员在斯德哥尔摩的 ICRA（国际机器人顶级会议）上发表了一篇论文。现在，B2 则登上了权威杂志《Science》子刊《Science Robotics》的封面，因此我们决定再来说说机器蝙蝠的现状。

蝙蝠的翅膀与鸟类完全不同，其差异可不只翅膀上有没有羽毛覆盖。通常，当机器学家制作类鸟或类昆虫型的机器人时，它们会尽力去模仿此类动物的翅膀，或者在整个翅膀结构中加入几个刚性部件。不过，蝙蝠的翅膀工作原理有所不同，其翅膀的底层结构是由变质的肌肉骨骼系统组成的，这套系统自由度（DoF）大于 40，扇动翅膀时，蝙蝠身上的某些骨头甚至会主动变形。此外，蝙蝠翅膀表面表面覆盖了一层具有柔韧度调节能力的非均质薄膜。研究人员表示，如此复杂的飞行系统让蝙蝠获得了超高的敏捷度，但也提高了人们在机器人身上复制这套飞行系统的难度。

由于无法完整的复制蝙蝠“恐怖”的自由度（会造成机器人过于沉重和复杂），研究人员决定将其自由度从 40 直接降到 5（包括肩部、肘部动作，手腕弯曲和腿部与尾巴的左右弯曲）。这样的机器蝙蝠虽然不算完美，但已经可以拥有蝙蝠 57% 的飞行能力。研究人员打造的 B2 机器蝙蝠与埃及果蝠大小类似，翼展为 47 厘米，重量仅为 93 克。

B2 需要用到 5 级自由度是翼面形态的要求，伸展、弯曲和扭曲等动作都会影响翼面的底层结构，引发空气动力学上的巨大变化。B2 的翼面由柔性硅胶膜制成，其厚度仅为 56 微米，因此要想控制这样的“翅膀”完成飞行任务是个巨大的挑战。最终，研发人员用闭环反馈法解决了这一问题。眼下，B2 已经能在保持稳定的情况下完成直飞、俯冲和转弯等动作，还原蝙蝠的大部分飞行形态了。蝙蝠是种颇为神奇的动物，它不但能倒吊在洞穴中，还能将抓到的昆虫藏在翅膀中带回家享用。不过，虽然眼下 B2 还不能复制所有蝙蝠的能力，但它已经帮研究人员深入了解了蝙蝠的工作方式，蝙蝠如何扇动翅膀、如何控制飞行状态都不再是个谜。未来，动作灵活的机器蝙蝠可以负责完成许多极限飞行任务（如狭窄空间中），研究人员也非常看好它未来在建筑工地中的应用。机器蝙蝠的商业化运营可能还遥遥无期，但要想将其变成现实，研究人员就必须继续努力探索如何完成电池、驱动器和计算设备的小型化和轻量化。