【导语】美国麻省理工学院科学家朝赋予昆虫尺寸飞行机器人敏捷性目标迈出重要一步，其研发的微型有翼机器人速度与特技超越前代，逼近真昆虫敏捷度，12月3日相关成果发表于《科学进展》，虽仍存在连接线束等局限，但未来或能在搜索救援、辅助授粉等领域发挥作用。
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(lái)，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(kūn)虫(chóng)的(de)敏(mǐn)捷(jié)度(dù)。12月(yuè)3日(rì)，相(xiāng)关研(yán)究(jiū)发(fā)表(biǎo)于(yú)《科(kē)学(xué)进(jìn)展(zhǎn)》。
美(měi)国(guó)内(nèi)华(huá)达(dá)大(dà)学(xué)里(lǐ)诺(nuò)分(fēn)校(xiào)的(de)航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)工(gōng)程(chéng)师(shī)Hoang-Vu Phan指(zhǐ)出(chū)，这(zhè)款(kuǎn)新(xīn)设(shè)备(bèi)标(biāo)志(zhì)着(zhe)“微(wēi)型(xíng)机器(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)。”
尽管近年来无人机等飞行器日益精密，但将其缩小至昆虫大小却异常棘手。“所有部件都需从零开始设计。”论文作者、MIT的工程物理学家陈宇峰（音）指出。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(xíng)飞行机器人却没这么耐用，这是因为合成材料根本无法与真正昆虫身体的韧性相媲美。
陈宇峰团队在先前项目中已攻克许多硬件难题，成功研制出重量仅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—— 一种模拟真实果蝇中枢神经系统的计算机软件或算法。这种编程使控制器能快速规划最优路径，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，重量比一个回形针还轻，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厘米的阵风下急转(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(de)那(nà)样(yàng)，该(gāi)机(jī)器(qì)人(rén)展(zhǎn)示(shì)了(le)“以(yǐ)前(qián)只(zhǐ)能(néng)在(zài)真(zhēn)实(shí)昆(kūn)虫(chóng)身(shēn)上(shàng)观(guān)察(chá)到(dào)的(de)速(sù)度(dù)、敏(mǐn)捷(jié)性(xìng)和(hé)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其他传感器，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(qì)人(rén)降(jiàng)落(luò)在(zài)娇(jiāo)嫩(nèn)的(de)花(huā)朵(duo)上(shàng)可(kě)能(néng)过(guò)于(yú)冒(mào)险(xiǎn)。他(tā)说(shuō)：“我(wǒ)们(men)很(hěn)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》）