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| 本文作者： 大壯旅 | 2017-02-03 21:08 |
如今，如果你想要一臺身形小巧、操控靈敏、速度快的飛行器，四軸飛行器是最好的選擇，它們造價相對便宜，普通人就能操控。不過，從理論上來講它并不是最棒的飛行平臺，因為自然界里可沒有這樣的怪家伙，動物們都靠扇動翅膀飛行，因為這樣的的飛行方式效率更高，而且機動性更強。不過，人類現(xiàn)有的技術(shù)暫時還無法制造類似動物的翅膀，此外對飛行姿態(tài)的控制也是難上加難。因此，我們依然要靠四軸飛行器。
不過，科技進步無止境，來自伊利諾伊大學和加州理工學院的 Alireza Ramezani、Soon-Jo Chung 和 Seth Hutchinson 誓要將跨過這兩道坎，給機器人插上翅膀。于是他們開始動手研發(fā)機器蝙蝠了。
機器蝙蝠（B2）的研發(fā)歷時數(shù)年時間，去年研究人員在斯德哥爾摩的 ICRA（國際機器人頂級會議）上發(fā)表了一篇論文。現(xiàn)在，B2 則登上了權(quán)威雜志《Science》子刊《Science Robotics》的封面，因此我們決定再來說說機器蝙蝠的現(xiàn)狀。
蝙蝠的翅膀與鳥類完全不同，其差異可不只翅膀上有沒有羽毛覆蓋。通常，當機器學家制作類鳥或類昆蟲型的機器人時，它們會盡力去模仿此類動物的翅膀，或者在整個翅膀結(jié)構(gòu)中加入幾個剛性部件。
不過，蝙蝠的翅膀工作原理有所不同，其翅膀的底層結(jié)構(gòu)是由變質(zhì)的肌肉骨骼系統(tǒng)組成的，這套系統(tǒng)自由度（DoF）大于 40，扇動翅膀時，蝙蝠身上的某些骨頭甚至會主動變形。此外，蝙蝠翅膀表面表面覆蓋了一層具有柔韌度調(diào)節(jié)能力的非均質(zhì)薄膜。研究人員表示，如此復雜的飛行系統(tǒng)讓蝙蝠獲得了超高的敏捷度，但也提高了人們在機器人身上復制這套飛行系統(tǒng)的難度。
由于無法完整的復制蝙蝠“恐怖”的自由度（會造成機器人過于沉重和復雜），研究人員決定將其自由度從 40 直接降到 5（包括肩部、肘部動作，手腕彎曲和腿部與尾巴的左右彎曲）。這樣的機器蝙蝠雖然不算完美，但已經(jīng)可以擁有蝙蝠 57% 的飛行能力。研究人員打造的 B2 機器蝙蝠與埃及果蝠大小類似，翼展為 47 厘米，重量僅為 93 克。
機器蝙蝠的核心組件
B2 需要用到 5 級自由度是翼面形態(tài)的要求，伸展、彎曲和扭曲等動作都會影響翼面的底層結(jié)構(gòu)，引發(fā)空氣動力學上的巨大變化。
B2 的翼面由柔性硅膠膜制成，其厚度僅為 56 微米，因此要想控制這樣的“翅膀”完成飛行任務(wù)是個巨大的挑戰(zhàn)。最終，研發(fā)人員用閉環(huán)反饋法解決了這一問題。
眼下，B2 已經(jīng)能在保持穩(wěn)定的情況下完成直飛、俯沖和轉(zhuǎn)彎等動作，還原蝙蝠的大部分飛行形態(tài)了。
蝙蝠是種頗為神奇的動物，它不但能倒吊在洞穴中，還能將抓到的昆蟲藏在翅膀中帶回家享用。不過，雖然眼下 B2 還不能復制所有蝙蝠的能力，但它已經(jīng)幫研究人員深入了解了蝙蝠的工作方式，蝙蝠如何扇動翅膀、如何控制飛行狀態(tài)都不再是個謎。
未來，動作靈活的機器蝙蝠可以負責完成許多極限飛行任務(wù)（如狹窄空間中），研究人員也非常看好它未來在建筑工地中的應(yīng)用。
機器蝙蝠的商業(yè)化運營可能還遙遙無期，但要想將其變成現(xiàn)實，研究人員就必須繼續(xù)努力探索如何完成電池、驅(qū)動器和計算設(shè)備的小型化和輕量化。
Via. Spectrum.ieee 雷鋒網(wǎng)編譯
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