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“蝙蝠机器人”能带人类飞向更远吗

2017-02-20 09:15
吃瓜天狼
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一只能够自主飞行的蝙蝠机器人登上了《科学·机器人学》的封面。研究团队报告说,他们模仿蝙蝠的生理结构,用新型材料制造出了这种机器蝙蝠。它体型较小,重约93克,翼展约47厘米,能够像蝙蝠一样飞翔。

事实上,虽然四轴飞行器在无人机领域已有广泛应用,但仍然远远比不上大自然“制造”的飞行生物,例如鸟类和蝙蝠。特别是蝙蝠,其飞行机制,在动物中是最复杂之一,模仿其结构的“蝙蝠机器人”能够适应普通四轴飞行器无法施展的特殊环境,用途广泛。

值得注意的是,《科学·机器人学》系顶级学术刊物《科学》杂志的子刊,于去年12月创刊。在人工智能如火如荼的今天,杂志对“蝙蝠机器人”的报道,向我们强调了机器人学的另一大分支——仿生机器人。

有专家指出,传统仿生机器人存在“形似而神不似”的问题。目前,学界正向着刚柔混合结构,仿生结构、材料、驱动一体化,神经元精细控制,高效能量转换的类生命系统方向发展。近年也出现了机器苍蝇、机器蝴蝶等一大批或应用前景广泛、或设计概念新颖的仿生机器人。

亮点

“蝙蝠机器人”可实现自主飞行

同样是飞行生物,蝙蝠的飞行能力比鸟类难以模仿得多:不同于鸟类翅膀由中空骨头支撑的简约结构,作为哺乳动物的蝙蝠,其翅膀由坚实的骨头、关节和皮肤组成。科学家发现,蝙蝠的翅膀极其灵活,拥有超过40个关节,科学家称之为“40个自由度”。

“蝙蝠的飞行能力是空中机器人梦寐以求的。它能执行复杂的飞行技能,比如颠倒栖息和快速转弯。蝙蝠还有非常复杂的机翼运动,有超过40个关节和非常薄的膜翅膀。”论文的通讯作者、加州理工学院教授Soon—Jo Chung说。

因为这些灵活的关节,科学家发现,蝙蝠能够通过类似“曲肘”或“翻腕”的动作控制向前或向后飞行。而且,在每个翼跳周期期间,有些骨骼会随着翅膀扇动变形,以控制飞行姿态。相较于鸟类,蝙蝠具有难以置信的机动性,可用翅膀拦截昆虫。更早的时候,一项来自美国南加利福尼亚大学的研究显示,一般鸟类通常只借助双翼向下运动产生升力,而蝙蝠在飞行时,双翼向上运动同样可以产生升力。

蝙蝠灵活的翅膀令科学家赞叹不已,但制造“蝙蝠机器人”也因此变得十分困难,对机器人建模、设计和控制提出了大量技术挑战。来自美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校和加州理工学院的科研团队经过数年探索,于去年研制了名为Bat Bot(B2)的“蝙蝠机器人”,并登上了2017年2月份最新一期的《科学·机器人学》封面。

由于种种限制,研究团队并没有完全模仿蝙蝠的翅膀结构,他们只参考了蝙蝠的5个自由度:肘部、肩部、腿部、腕部和尾部的运动。虽然与蝙蝠相去甚远,但团队认为,“蝙蝠机器人”可以复制蝙蝠57%以上的飞行动作。

最令人眼前一亮的是,“蝙蝠机器人”的飞行无需远程操作,而是通过机载计算机和几个传感器控制,根据不同环境自主导航。Soon—Jo Chung介绍,为实现“蝙蝠机器人”自主飞行,它采用机载的定制电子部件,导航和控制算法在主控板上实时运行,而处理传感器数据和控制制动器用的是单独的数据采集器。传感器包含一个惯性测量装置(IMU)和五个位于肘部、臀部和翅膀关节处的磁编码器。

Soon—Jo Chung表示,目前“蝙蝠机器人”已可以成功直飞30米,其通过调节左右翼和尾部的关节,使薄膜变形,从而达成自主飞行。这些关节都有复杂的算法进行协调,使得机器人可以如同蝙蝠一般飞行,包括倾斜盘旋和俯冲。

“相较于四轴飞行器,‘蝙蝠机器人’具有许多实际优势:在有人环境中,‘蝙蝠机器人’柔软的翅膀是最显著优势。它不会像四轴飞行器或者其他旋翼航空器那样,因其刚性材料的螺旋桨和高噪音对人类构成潜在危害。相比之下,翼部主要由柔性材料构成的‘蝙蝠机器人’即使碰撞,也不会对自身和障碍物造成很大损坏,而且较低频率的翅膀扇动也会降低噪音。”发表于《科学·机器人学》的论文这样描述其优势。

报告称,“蝙蝠机器人”的机翼由具有高延展性的柔性硅胶膜制成,只有56微米厚;而骨架由碳纤维构成;整体重约93克,翼展约47厘米。

科研团队希望,这种高度灵活机动的机器人能够替代四旋翼无人机成为人类的好帮手,它的机翼可以变成任何形状以在建筑勘测中避开横梁,或者在危险地域进行侦查帮助救灾。

当然,“蝙蝠机器人”的研究刚刚起步。研究人员表示,目前的机器人飞行时间受电池容量的限制,而且现在还太易破损,暂时还不能投入生活中使用。论文还提到,研究人员正在研究如何让“蝙蝠机器人”倒立。

评点

人造物仍无法与飞行生物媲美

飞鸟、昆虫以及哺乳动物中的蝙蝠等在上亿年进化历史中,经过不断适应环境和优化选择,其在形态、运动方式、能量利用等方面,达到了几乎完美的程度,为空中仿生机器人的设计提供了很好的借鉴。

甚至到今天,虽然人类能够造出以数马赫巡航的固定翼飞机,但在精细飞行方面,人造物仍无法与大自然“制造”的飞行器相媲美。在飞机设计领域,“只要推力大,板砖飞上天”这句颇具冷幽默的话经常被爱好者乃至从业人员挂在嘴边,其反映了人造飞行器的某种发展方式:通过强大的动力来补偿空气动力学的缺陷。

这就导致一个问题:传统的固定翼飞机尺寸和飞行速度降低到一定数量级时,其产生的升力就不足以维持飞行;旋翼型飞机虽然能够微型化,但是机动性方面仍达不到人们要求,距离鸟类乃至蝙蝠更相去甚远。

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