受瓢蟲“自我扶正”啟發(fā)，科學(xué)家研制可“鯉魚打挺”的微型飛行器

固定翼微型飛行器

大自然永遠(yuǎn)是人類最好的老師。

自然界中，為適應(yīng)生存環(huán)境，各類昆蟲具備很多高明且巧妙的“自保本領(lǐng)”，瓢蟲就是其一。當(dāng)瓢蟲失去平衡或受困翻倒時(shí)，瓢蟲可通過自身堅(jiān)硬的鞘翅在一秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)自我扶正。

受瓢蟲這種強(qiáng)大自我扶正能力的啟發(fā)，近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的查蘭博斯·沃特西斯與其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款通過在微型飛行器上安裝類似于瓢蟲“鞘翅”、來實(shí)現(xiàn)自主扶正的固定翼微型飛行器。

瓢蟲極強(qiáng)的自我糾正能力

沃特西斯表示，為躲避天敵和更好地適應(yīng)環(huán)境，瓢蟲進(jìn)化出更適宜生存的身體機(jī)能，而這些機(jī)能正是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的靈感來源。

事實(shí)證明，研究團(tuán)隊(duì)從中受益匪淺，其通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人工鞘翅不單有助于飛行器在危境姿態(tài)中能實(shí)現(xiàn)自主扶正，還能加強(qiáng)微型飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能，相關(guān)研究論文發(fā)表在IEEE Robotics and Automation Letters期刊上。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，鞘翅不僅為瓢蟲提供自我扶正能力，還在飛行中為其提供輔助升力。而當(dāng)固定翼微型飛行器安裝人工鞘翅后，同樣可以使因鞘翅所增加的重量與額外升力相互抵消。

對(duì)此，沃特西斯解釋道：“通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)人工鞘翅在飛行中不僅提供了額外的升力，還可以幫助它減少飛行器結(jié)構(gòu)重量帶來的不利影響。”

固定翼微型飛行器自主扶正只需1.1秒

固定翼微型飛行器的鞘翅由高強(qiáng)度、高韌性的丙烯腈一丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）3D打印成型，并用凱夫拉新型合成纖維加固，以增加其彈性，并通過伺服系統(tǒng)控制鞘翅來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)平移等動(dòng)作。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)通過11厘米、14厘米、17厘米3種不同長度的鞘翅和0.31N·m、0.39N·m兩種扭矩進(jìn)行模擬自動(dòng)扶正測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種不同扭矩提供的功率幾乎對(duì)飛行器性能沒有任何影響，但是鞘翅的尺寸卻對(duì)飛行器有著明顯影響。

另外，研究團(tuán)隊(duì)還針對(duì)不同尺寸的鞘翅進(jìn)行了飛行器空氣動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果表明，更大尺寸的鞘翅并不會(huì)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)效率帶來性能上的減弱。換句話說，更大尺寸的鞘翅并不影響飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能。此外，更大的鞘翅相比較小的翅鞘具備更快的自主扶正能力。

因此，研究團(tuán)隊(duì)最后選擇了17厘米的鞘翅。

在微型無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用中，由于飛行器可能需要在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行任務(wù)，因此研究團(tuán)隊(duì)在人行道、粗沙、細(xì)沙、碎石路、貝殼、木屑和草地七種不同的環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

其中，草地和細(xì)沙地的成功率僅有30%左右，但是其他五種地形都能到達(dá)100%的成功率。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在10度、20度、30度等的斜坡上進(jìn)行扶正測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種固定翼微型飛行器在30度斜坡時(shí)，也能成功自我扶正，不過超過30度的斜坡則會(huì)出現(xiàn)打滑的情況。

固定翼微型飛行器結(jié)構(gòu)

瓢蟲鞘翅與飛行器鞘翅對(duì)比

以往的飛行器為防止翻倒只是增加重量和降低動(dòng)力，但當(dāng)給微型飛行器一對(duì)鞘翅后，其鞘翅負(fù)責(zé)“翻身”和提供上升動(dòng)力，后翅則主要負(fù)責(zé)飛行。如此不僅能改善飛行器的上升性能提升，還能降低設(shè)計(jì)難度。

沃特西斯表示：“我們目前正在研究鞘翅無人機(jī)在穿越灌木、石林和其他障礙物時(shí)是否可以折疊翅膀。希望未來當(dāng)無人機(jī)視野開拓并需要遠(yuǎn)距離飛行時(shí)可張開翅膀，而當(dāng)飛行器遇到狹窄地形時(shí)，能以緊湊的形式安全移動(dòng)或者降落?！?/p>

接下來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化這個(gè)固定翼微型飛行器，他們希望可以為這個(gè)飛行器定制一個(gè)“保護(hù)殼”，以便保護(hù)機(jī)翼在剮蹭時(shí)不受損傷。（綜合整理報(bào)道）（編輯/克珂）