【导(dǎo)语(yǔ)】美(měi)国(guó)麻(má)省(shěng)理(lǐ)工(gōng)学(xué)院(yuàn)科(kē)学(xué)家(jiā)朝(cháo)研(yán)发(fā)昆(kūn)虫(chóng)尺(chǐ)寸(cùn)飞(fēi)行(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)迈(mài)出(chū)重(zhòng)要(yào)一(yī)步(bù)，其(qí)研(yán)发(fā)的(de)微(wēi)型(xíng)有(yǒu)翼(yì)机(jī)器(qì)人(rén)速(sù)度(dù)与(yǔ)特(tè)技(jì)超(chāo)越(yuè)前(qián)代(dài)，逼(bī)近(jìn)真(zhēn)昆(kūn)虫敏捷度。12月3日相关研究发表于《科学进展》，该机器人虽性能卓越，但仍面临连接线束束缚等局限，未来或可用于搜索救援、辅助授粉等任务。
得益于高效的控制器，这个昆虫大小的机器人可以在短短几秒钟内完成急转弯和多次空翻。图片来源：《科学进展》
空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物，能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。长期以来，工程师一直致力于赋予同尺寸飞行机器人或无人机类似的敏捷性。如今，美国麻省理工学院（MIT）的科学家朝这一目标迈出了重要一步。他们研发的微型有翼机器人的速度与特技表现均超越所有前代机型，甚至逼近真正昆虫的敏捷度。12月3日，相关研究发表于《科学进展》。
美国内华达大学里诺分校的航空航天工程师Hoang-Vu Phan指出，这款新设备标志(zhì)着(zhe)“微(wēi)型(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)性(xìng)能(néng)的(de)巨(jù)大(dà)飞(fēi)跃(yuè)”。 “这(zhè)项(xiàng)成(chéng)果(guǒ)使(shǐ)该(gāi)领(lǐng)域更(gèng)接(jiē)近(jìn)真(zhēn)正(zhèng)自(zì)主的(de)昆(kūn)虫(chóng)尺(chǐ)寸(cùn)飞(fēi)行(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)，能(néng)够(gòu)执(zhí)行(xíng)现(xiàn)实(shí)世(shì)界(jiè)的(de)任(rèn)务(wu)。”
尽(jǐn)管(guǎn)近(jìn)年(nián)来(lái)无(wú)人(rén)机(jī)等(děng)飞(fēi)行(xíng)器(qì)日(rì)益(yì)精(jīng)密(mì)，但(dàn)将(jiāng)其(qí)缩(suō)小(xiǎo)至(zhì)昆(kūn)虫(chóng)大(dà)小(xiǎo)却(què)异(yì)常(cháng)棘(jí)手(shǒu)。“所(suǒ)有(yǒu)部(bù)件(jiàn)都(dōu)需(xū)从(cóng)零(líng)开(kāi)始(shǐ)设(shè)计(jì)。”论(lùn)文作(zuò)者(zhě)、MIT的(de)工(gōng)程(chéng)物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)陈(chén)宇(yǔ)峰(fēng)（音(yīn)）指(zhǐ)出。微型电机效率会随尺寸缩小而降低，即使是微弱气流扰动，也会对扑翼和纤细关节造成负担——为减轻重量，这些部件通常设计得纤薄而精致。昆虫能毫发无损地撞击玻璃窗并抵御强风，但微型飞行机器人却没这么耐(nài)用(yòng)，这(zhè)是(shì)因(yīn)为合成材料根本无法(fǎ)与(yǔ)真(zhēn)正(zhèng)昆(kūn)虫(chóng)身(shēn)体(tǐ)的(de)韧(rèn)性(xìng)相(xiāng)媲(pì)美(měi)。
陈(chén)宇(yǔ)峰(fēng)团(tuán)队(duì)在(zài)先(xiān)前(qián)项(xiàng)目(mù)中(zhōng)已(yǐ)攻(gōng)克(kè)许(xǔ)多(duō)硬(yìng)件(jiàn)难(nán)题(tí)，成(chéng)功(gōng)研(yán)制(zhì)出(chū)重(zhòng)量(liàng)仅750毫克的耐用飞行器，单次续航可达1000秒。但它的控制器，即指导机器人行动的电子“大脑”，却带来了一个新难题。为实现空中加速、转向和翻转，飞行的微型机器人必须持续适应气流与摩擦力的微小变化，这需要一个能够处理不确定性的高效控制器。
论文作者、MIT天体物理学家兼航空工程师Jonathan How通过设计管状模型预测控制器（MPC）解决了这一难题。How解释说，管状MPC在机器人的中心轨迹周围创造了一个管状的缓冲区，确保机器人不会因任何干扰撞到危险的区域。
How补充道，该控制器真正的“核心技术”在于融入了一个神经网络—— 一(yī)种(zhǒng)模(mó)拟(nǐ)真(zhēn)实(shí)果(guǒ)蝇(ying)中(zhōng)枢(shū)神(shén)经(jīng)系(xì)统(tǒng)的(de)计(jì)算(suàn)机(jī)软(ruǎn)件(jiàn)或(huò)算(suàn)法(fǎ)。这(zhè)种(zhǒng)编(biān)程(chéng)使(shǐ)控(kòng)制(zhì)器(qì)能(néng)快(kuài)速(sù)规(guī)划(huà)最(zuì)优(yōu)路径，让机器人在空中“以一种不会自毁的方式”进行旋转。
最终的设备直径仅4厘米，重量(liàng)比(bǐ)一(yī)个(gè)回(huí)形针还轻，飞行速度几乎是现有微型机器人的5倍，加速能力则提高了两倍。它还可以在每秒160厘米的阵风(fēng)下(xià)急(jí)转(zhuǎn)弯(wān)，令(lìng)人(rén)印(yìn)象(xiàng)最(zuì)深(shēn)刻(kè)的(de)是(shì)，这(zhè)个(gè)机(jī)器(qì)人(rén)可(kě)以(yǐ)在(zài)11秒(miǎo)内(nèi)连(lián)续(xù)完(wán)成(chéng)10次(cì)空(kōng)翻(fān)。正(zhèng)如(rú)Phan所(suǒ)指(zhǐ)出(chū)的那样，该机器人展示了“以前只能在真实昆虫身上观察到的速度、敏捷性和鲁棒性”。
不过，该机器人仍存在若干局限。加拿大多伦多大学机器人学家Pakpong Chirarattananon坦言：“最突出的问题是连接线束的束缚。”他解释道，由于昆虫尺寸的电池很快会耗尽，设备必须连接外部电源，这限制了活动范围。
绳子是一个长期的障碍，此外陈宇峰和How还希望设计出足够小的摄像头和(hé)其(qí)他传感器，可以安装在机器人上，这可能会使它在搜索和救援任务中具有价值。“如果发生地震，”陈宇峰解释说，“我们可以把这些微型机器人送到裂缝里。”
昆虫大小的飞行机器人也被视为辅助授粉的工具，但How认为，让机器人降落在娇嫩的花朵上可能过于冒险。他说：“我们很想这么做，但这超出了当前的技术水平。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aea8716
（原标题为《昆虫级微型飞行机器人问世》）