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向大自然学习 仿生无人机逐步走近现实

2019-07-18 10:53编辑:admin人气:


  据美国《大众科学》2014年1月刊报道,自然界中的各种生物历时数百万年才让扑翼飞行变得日臻完善,而现在,工程师们能用机器来再现这种飞行,由此制造出的各种微型无人机也已深入各个领域。

  从自然界中汲取灵感

  5年前,理查德古烈和汤姆瓦内克坐在一家距离他们的办公室几条街区的酒吧里交谈,试图让自己的神经从忙碌的工作中解脱出来。在过去一年多里,这两名工程师一直试图研制出一架经久耐用的微型无人机,其能躲避其他物体,在建筑物内准确定位;而且,在暴风雨天气里也能风雨无阻地飞行。

  他们曾经尝试让其微型无人机采用固定机翼,但需要添加足够多的传感器才能让这种无人机有效地探测到障碍物,如此一来,这种无人驾驶飞机就太重了而无法飞起来。他们也尝试采用直升飞机的形式,但直升机的旋翼一直纠缠在电线内。另外,他们也建造过一台配备了发动机的气球,但以上诸多尝试都以失败告终。

黑色大黄蜂无人机

黑色大黄蜂无人机

  当古烈和瓦内克坐在吧台上,小口啜饮着啤酒时,看到一只飞蛾突然猛烈地撞在了玻璃上。他们想,如果是微型无人机撞在玻璃上,必定会粉身碎骨,但这只飞蛾并没有如此,而是从玻璃上弹开,拍了拍翅膀,恢复原状,然后飞走了。

  这真是天降启示,让我们一下子觉得醍醐灌顶。瓦内克说,他目前是麻省研发公司物理科学公司(PSI)的工程师。他说:我们意识到,我们能制造出一种人造系统,其撞击到其他物体上之后,能立刻复原并继续向前,这是一个创新。

  这并非工程师们首次从自然界中借鉴和汲取设计灵感,尤其是当我们提到飞行时,从自然界中汲取的灵感和经验不胜枚举。自然界中,有些飞行动物经历了近亿年的进化过程,为了攫取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群活动等生存需要,通过漫长的环境适应的自然选择过程,它们发展出了各具特色的空中飞行能力,其整体功能渐趋优化,为当前的人造航行器和飞行器望尘莫及。其上亿年进化得来的翅膀形态和飞行方式给了我们很多启迪。

  数个世纪以来,人类一直梦想有一天能像鸟儿一样在天空中翱翔。早在古希腊,就流传着关于翅膀的传说:少年伊卡洛斯和父亲狄德勒斯被诸神囚禁在孤岛上。身为巧匠的父亲便利用岛上的蜡烛,制作了两副精巧的羽翅,一副给自己,一副给伊卡,可以藉此飞出孤岛,逃离囚禁的命运。在起飞前,父亲警告伊卡:翅膀是蜡制的,遇热会融化,因此绝不可高飞,要避开阳光。但伊卡洛斯最终忘记了父亲的劝告,飞得过高,导致翅膀被太阳烤化,伊卡洛斯也坠入大海,白白丢了性命。

  15世纪70年代,意大利天才莱昂纳多达芬奇画出了一种由飞行员自己提供动力的飞行器,并称这种飞行器为扑翼飞机。这种飞机模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙,具有多个膜状翅膀。达芬奇认为只有扑翼机才能既具备推力,又具备提升力。此后,有许多人开始模仿达芬奇的画作设计制造飞机,然而都逃不过失败的命运,理想情况下能上下蹦跳几下,最坏的结果则是摔成碎片。

  后来,随着技术的不断发展,科学家们慢慢解开了自然界的很多谜题。与此同时,工程师们也研发出了第一架模仿昆虫的、能飞行的交通工具,由此,为一类全新的设备微型无人机的出现拉开了大幕。

大乌鸦无人机

大乌鸦无人机

  美国著名智库布鲁金斯学会的彼得辛格说:自然界数百万年的演化发展孕育出了无数的奇迹,这些都是我们灵感的来源。机器人的发展也是日新月异,明天出现的机器人与你今天看到的机器人可能迥然不同。最有可能出现的情况是,它们与动物看起来无异。

  揭开昆虫飞行的秘密

  尽管昆虫和其亲属占所有动物物种(迄今为止,我们已知的动物共有90多万种)的80%左右,但昆虫飞行的力学原理一直是个未解之谜。传统的固定机翼飞机主要依靠机翼上稳定的气流来飞行。直升飞机和旋翼飞机也是如此。但因为昆虫的翅膀会不断地前后拍打,所以它们周围的空气也在持续发生变化。而且,蜜蜂和其他昆虫短而粗的翅膀能够提升的重量之大,用传统的稳定状态的空气动力学原理根本不足以解释。

  在科学家们能理解拍翼飞行之前,他们首先必须能看见其最幽微的细枝末节。在上世纪70年代,英国剑桥大学的丹麦籍动物学家托克尔韦斯-福用高速摄影术对正在不断盘旋的昆虫翅膀的精确运动进行了分析并同昆虫的形态学特征进行比较。借此,他推导出了一个通用的昆虫飞行理论,其中包括他称为拍扑效应的原理。这种原理指出,昆虫在初始时刻将翅膀重叠在一起,随后再突然将翅膀分开,这种运动会把空气带走并且制造出一种低压的小口袋。接着,空气又会再次杀入小口袋中,形成一个不断旋转的涡旋。这种涡旋制造出的力对在昆虫的翅膀拍动期间将昆虫提升起来必不可少。韦斯-福指出,同样的漩涡或许可以由翅膀的角度和旋转所产生,从而产生额外的提升力。

纳米蜂鸟

纳米蜂鸟

  20年后,计算机技术也对这一理论产生了兴趣;科学家们也开始将这些原理应用到人造系统上。英国剑桥大学的查尔斯艾灵顿曾经是韦斯-福的学生,他建造出了一双机械翅膀,其能够精确地模拟鹰蛾的运动。鹰蛾是世界上飞行速度最快的昆虫,大约每小时可飞行33英里。艾灵顿将研制出的机械翅膀置于一个充满了烟雾的风洞(风洞是能人工产生和控制气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状设备,它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具)中,如此一来,当昆虫拍动翅膀时,他就能分析其运动的流体动力学原理。

  另外,美国加州大学伯克利分校的神经生物学家迈克尔迪金森则建造了一对机器果蝇的翅膀,其能模拟一只果蝇的一举一动。他将该机器果蝇翅膀浸入2吨的矿物油中。借用这两组机械翅膀,这两名科学家分别总结出了各自研究的昆虫飞行的空气动力学原理。

  1998年,迪金森和电子工程师罗恩费林获得了美国国防部高级研究项目局(DARPA)提供的250万美元奖金,以应用这些原理来研制一台昆虫大小的机器人。他们找了一位名叫洛博伍德的研究生和他们一起工作,伍德的主要任务是帮助他们研发技术来制造出细小的零件并将其组装成一对镊子,这些工作繁琐且耗时。伍德说:昆虫翅膀的飞行轨迹真的非常复杂。

机器蜜蜂

机器蜜蜂

  2004年,伍德从哈佛大学毕业并拥有了自己的实验室,此时,他已经找到了非常有效的方法,可以使用极其高效且奇异的材料来复制昆虫翅膀的运动。他建造了一个陀螺仪,能模拟昆虫用来探测身体旋转的传感器;而且,他也研究出了方法,可以在微尺度上制造复杂的系统。他没有做的只是将所有这些设备和方法集成在一起,最终组装出一台能工作的昆虫大小的飞行器。

  将知识变成机器人

  2006年一个寒冷的冬日,伍德到达他哈佛大学的实验室。工作台上放着一个60毫克重的机器人,其拥有3厘米长的翼展以及家蝇大小的胸部,该机器人同一台计算机相连,计算机的机箱上塞满了高压放大器和数据采集设备,伍德仔细地检查了它们之间的连接和信号。

  接着,他迅速打开发动机,当他的小型机器人的翅膀开始振动时,他仔细地观察,结果发现,这种振动将机器人提到空中,持续了几秒时间。伍德高兴地跳了起来。他耗费7年时间就为了这一刻。不过他还要花上5年时间,才能取得下一个突破:让这种微型机器人沿着预先编好的路线持续稳定地飞行。

  2012年夏天,他取得了里程碑式的成功,他的实验室成功研制出了一款名为机器蜜蜂(RoboBee)的模型,结果表明,这种精巧的机器能升入空中并首次展示出了稳定的盘旋以及有控制的飞行技巧。

  现在,伍德已经成为微尺度机器飞行领域的泰斗,而其他研究人员则通过使用扑翼动力学来减少能携带负载的飞行设备的大小。

  2011年,有40年历史的飞行器制造公司、位于美国加州的航空环境公司(AeroVironment)展示了其名为纳米蜂鸟(NanoHummingbird)的无人机,这架可以放在口袋的人造蜂鸟侦察机的长度仅16厘米,两翼展开为19厘米,重19克,装有电池、电机、摄像机和通讯器材,可以人为遥控,垂直攀爬或下降、侧飞、前进和后退,也可顺时针和逆时针旋转。纳米蜂鸟依靠自身电力可以在空中停留11分钟,向前飞行速度可达17.6公里/小时。这项研究费时5年、耗资400万美元才成功。据介绍,美国军方将利用飞机上的微型摄像机在战区中侦查敌人的位置,而不会被发现,并最终把它们部署在农村和城市地区。

美国TechJect公司的蜻蜓无人机

美国TechJect公司的蜻蜓无人机

  纳米蜂鸟的成功标志着人类在室内无人侦察和监控领域进入了一个新的高度。研发团队的负责人表示,这种无人机的研制成功为新一代具有小鸟一样灵活性和外观的飞行器铺平了道路,并且挑战了空气动力学的极限。随着研发的进展,飞行时间还可能延长。航空环境公司是全球最大的无人机生产商之一,它已为美国军方提供了许多不同的机型,包括此前的大乌鸦无人侦察机。

  2010年,航空环境公司收到了美国政府2182份大乌鸦便携式无人侦察机的订单。大乌鸦重不到2公斤,翼展约1.3米,使用电池驱动,可携带红外摄像机,最大巡航速度近100公里/小时,续航时间60到80分钟。大乌鸦非常小巧,分解后可以放入背包内。它主要用于战地侦察,士兵直接用手投掷起飞,2003年以来,大乌鸦在阿富汗得到了广泛使用,并受到美军高度评价

  另外,2012年10月,美国TechJect公司公布了一款手掌般大小的飞行机器人,它的外形就如同一只蜻蜓。据悉,这个机器人的重量还不到一盎司(5.5克),可拍摄高清晰度的图片,也可通过Wi-Fi控制iPad或智能手机。这款机械蜻蜓的身体里拥有20个传感器,能够用来进行航拍、特技飞行或者是自主安全巡逻和监控。

  这款蜻蜓无人机利用了一种名为共振的空气动力学原理。当空气密度、风速以及蜻蜓身体组织的重量完美平衡时,蜻蜓的翅膀拍动的效率最高,此时,翅膀的拍动会制造出涡旋波,这些涡旋波会合并在一起。TechJect公司的总裁贾扬特拉蒂表示,扑翼飞机利用共振能显著提升其能效,用最小的努力制造出最优化的提升效果。

  2013年,拉蒂团队制造出了商用的无人机,提供给昆虫无人机的狂热爱好者和无人机技术的早期接受者;他们计划到今年年底之前,为其他市场发布另一个版本的无人机。拉蒂说:目前,微型无人机并非一项非常成熟的技术,但在慢慢变得成熟。我们不断能收到反馈,也做出了相应的改进。

  打造一架更坚固耐用的无人机

  这些小型、脆弱易碎的无人机并没有解决由无法预期的碰撞所导致的损害这一问题,因此,古烈和瓦内克一直希望能提高其耐用性。在酒吧受到飞蛾的启示之后,他们开始与其他人合作,来再现昆虫的飞行。他们找到了伍德,此时,伍德的实验室已并入哈佛大学维斯生物工程研究所。随后,他们利用一套图像采集系统,对飞蛾在同玻璃碰撞之前、之中以及之后的一举一动进行了记录和分析。通过密切地观察飞蛾身体部位的方位,他们精确测量出了昆虫的翅膀和腿部的开合和扭转。

  当古烈和瓦内克将视频放慢时,他们惊奇地发现:我认为,飞蛾会摔倒并掉下来,但并非如此,飞蛾的恢复动作非常优雅,一切发生得太突然,让人无法不摒住呼吸。

  古烈和瓦内克仔细观察了这种飞蛾身体怪异的几何形状。其外骨骼有类似于手风琴的部分,这部分的作用就像是一个减震器,其似乎也能感受到即将到来的碰撞。就在碰撞之前,飞蛾会以一定的角度飞行,确保其腿部会首先接触到玻璃。在那一瞬间,翅膀一动不动。每当飞蛾猛烈撞上窗户时,它会条件反射般地屈服于撞击的动量并落下来。但刹那之间,飞蛾的重心会将其拉回到一个稳定的位置。接着,其翅膀再次拍动,让昆虫再次有控制地盘旋。瓦内克说:通过翅膀的拍动,飞蛾能撞击并快速恢复,这一点非常不容易,目前,还没有人造系统能做到这一点。

  因此,他们两人开始利用这些知识,来研制一款有弹性的微型飞行器。这种设备的身体要能防震;每个翅膀也需要能被独立地控制。因此,他们为一个四旋翼飞机设计了一个外壳,其上整合了一些橡胶减震器,位于由碳纤维和塑料制造的零件中间。他们给四旋翼的每一个旋翼都安装了发动机以便模拟不断交替的翅膀速度,正是这种速度对拥有四个翅膀的昆虫的飞行状态进行了完美的控制。当这一设备被风吹离轨道或碰上障碍物时,其上装配的计算机能探测到其目前的位置和预先编好的飞行路径之间的差异,而且,一个自动驾驶仪会条件反射似的让其恢复稳定。

  去年2月份,他们让采用这种方法研制出来的、名为InstantEye的小型无人机参加一年一度在美国佐治亚州本宁堡进行的陆军远征勇士试验,作为裁判的士兵们给其贴上了环保的标签,这是最高的排名之一。当被抛到空中时,InstantEye能自动飞行。用户可以用它在高处建立一个即时可用的有利位置,同时又不必花时间将设备发射到空中。

  克服未来的障碍

  尽管第一代微型无人机已经进入市场并受到各方追捧,但工程学上的挑战仍然存在。对于伍德来说,最大的障碍在于电源。与块头大一点的InstantEye无人机不同,纳米蜂鸟蜻蜓无人机以及机器蜜蜂都必须被连接到外部电源上。伍德正使用微构造来试图让其上负载的电池尽可能小,他也在同哈佛大学、华盛顿大学以及麻省理工学院的研究人员合作,希望能研制出新奇的电池、微型燃料电池以及无线电力传输系统。他认为,未来一两年内,这样的设备应该就可以研制出来。

  古烈和瓦内克则希望用扑翼取代其四旋翼飞机上的螺旋桨。尽管与其他无人机相比,InstantEye更擅长从阵风导致的偏摆以及微小的碰撞中恢复过来,但其螺旋桨仍然与电线纠缠在一起。古烈说:我们发现,扑翼的鸟类和昆虫都能很好地适应周围的环境,比如树在移动,树枝在移动等等。如果这些无人机落入树枝中,它们会找到出路。我们意识到,扑翼是唯一的解决方案。

  而研制机器飞蛾的迪金森在华盛顿大学领导的实验室则在使用高级成像系统对昆虫的飞行进行更加深入地研究。他说:15年前,高速照相机每秒只能捕获约3000帧,这使得昆虫看起来就像小型怪异的天外来客,而现在,照相机每秒能捕获大约7500帧,因此,我们能够进行更加精微的研究。

  迪金森的研究重点也不仅仅是分析飞行,他也在使用电极记录昆虫大脑内神经细胞的活动。他将这些神经细胞同一个飞行模拟系统连接在一起,并对其进行视觉刺激,例如,让其观看食肉动物的图像等,以引起它们的反应。迪金森说:借此,我们能了解昆虫大脑内的神经细胞如何处理与飞行有关的信息以及传感信息如何被翻译成特定的行为。伍德的研究成果建立在昆虫飞行的基本机制上,通过这种机制,这些微型设备能在空中停留,但我们要超越这一机制,最终理解昆虫如何有控制地在空中玩花样。

  这些研究成果有助于科学家们研制出更轻量、更智能的无人机,而其应用范围当然也更广阔。古烈和瓦内克计划将InstantEye出售给军方和执法部门。而据国外媒体报道,驻阿富汗英军部队成为目前世界上最为先进的微型遥控无人侦察机的第一批使用者。这款名为黑色大黄蜂的微型无人侦察机的尺寸大约为10厘米2.5厘米,可以为地面部队提供重要的战场情报。该款无人机装备了一部微型摄像头,可以为作战部队提供动态图像或是静态照片,士兵可以使用其对街角、围墙或是其他障碍物进行侦察,以预知这些视觉死角后方潜在的危险。

  除此之外,微型无人机或许也能在室内使用,比如,能使警察和特警在办公大楼或银行内部等收集脚印。伍德也表示,机器蜜蜂非常轻巧,因此,能被大批量地运送到灾区搜寻幸存者;它们也能监测交通和环境状况;研究人员或许也能利用它们在野外收集数据。

  无论最终的应用如何,微型无人机都不再是达芬奇等人的梦想。它们已经一飞冲天,灵巧,能很快恢复且自带电源。

(来源:未知)

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