每秒扇翅 500 次，重量僅 0.6 克，碰撞翻滾後也能立即復飛，這可不是某種昆蟲，而是真真正正的人造無人機。

其大小好比一隻大黃蜂，外觀就像長著翅膀的磁帶盒，身體主要由四部分組成：機身、傳動裝置、機翼鉸鏈和機翼。

昆蟲的這些功能看似“不起眼”，但一直都難以在人造飛行機器人中實現，而前文的“昆蟲無人機”，正是由麻省理工學院（MIT）電氣工程與計算機科學系助理教授 Kevin Chen 研發出來的帶有“昆蟲功能”的人造飛行機器人。

相關論文已於近日發表在 IEEE Transactions on Robotics 雜誌上，論文標題為《昆蟲大小高靈敏、抗碰撞的彈性飛行器》（Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility）。

談及研究初衷，Kevin Chen 表示很多無人機都非常大，且多數用於戶外飛行。但是幾乎沒有可在複雜、混亂空間中飛行的昆蟲大小的無人機。

他說，“昆蟲無人機”的構造，完全不同於大型無人機，後者通常由電動機提供動力，把這種電動機縮小後並用在“昆蟲無人機”中，其效率反而會降低，因此要給“昆蟲無人機”尋找電動機的替代品。

此前的主要替代方案，是採用由壓電陶瓷材料製成的小型剛性執行器，但這種執行器非常脆弱，如果把它用於“昆蟲無人機”，很難承受大約一秒一次的碰撞。為此，他們研發出一種新型彈性介電體驅動器。

“昆蟲無人機”的 “心臟”：新型彈性介電體驅動器

據悉，Kevin Chen 透過使用軟碟機動器，設計出一種彈性更好的新型彈性介電體驅動器，這種驅動器由薄橡膠圓柱體制成，圓柱體上包裹著碳奈米管。

圖 | 由驅動器提供動力的 665 mg “昆蟲無人機”的透檢視（來源：受訪者）

當給碳奈米管輸送電壓時，靜電壓力就會產生，進而會擠壓和拉長橡膠圓柱體，這種反覆的擠壓和拉長，可讓“昆蟲無人機”的翅膀快速扇動。

概括來說，驅動器是提升無人機效能的關鍵。在驅動器中，彈性體片材的長度、寬度和厚度分別為 8 毫米、50 毫米和 210 微米。在彈性體被捲成圓筒後，碳纖維帽被連線到兩端，並能同時連線電氣和機械。

製作過程中，該團隊透過降低接觸電阻、來提高電阻生產效率。總之，這種新的驅動器可在更高電壓和更高頻率條件下驅動，並且在共振和自由位移測試中表現更好。

最終設計出的驅動器，可讓翅膀每秒鐘拍動 500 次，無人機藉此擁有真正類似昆蟲的靈活性。

在飛行時，如果你用手擊中它，它也能像拍不死的蚊子一樣，可在 0.16 秒內恢復飛行，此外還能進行空中翻騰等動作。

據悉，相比該團隊之前的工作，本次設計的新型驅驅動器，其輸出功率的密度相比以前提高了 100%，換能效率提高 560%。

概括來說，驅動器好比“昆蟲無人機”的 “心臟”，搞定 “心臟” 後，他們開始設計無人機的其他 “器官”。

基於新的資料分析，他們重新設計了無人機的變速器、機翼鉸鏈和機翼等，其中機翼的骨架材料是碳纖維，翅膀是聚酯纖維，看起來有蟬翼般的逼真感。

最終誕生的“昆蟲無人機”，除可以進行懸停飛行以外，還擁有 70 釐米 / 秒的上升速度。據該團隊介紹，這一速度使得該無人機成為目前最快的軟移動機器人之一。

此外，該無人機的升力重量比為 2.2:1，這意味著它可攜帶約等於其重量的有效載荷。

經初步測試和計算，使用現成的鋰聚合物電池（LiPo），可讓無人機大約飛行 10–30 秒，其中無人機下面的合金線，主要用於供電。任智健告訴 DeepTech：“目前還是透過控制器輸出訊號，經過電壓放大器增壓之後給無人機供電。我們的下一步計劃就是讓無人機攜帶電池‘更加自由’地飛行。”

“昆蟲無人機”的設計：遇到碰撞依舊能 “活下來”

比起此前工作，本次機器人的傳輸長度從 400 微米增加到 500 微米，鉸鏈尺寸分別調整為 2.05 毫米和 0.10 毫米。

其中，鉸鏈由 12.7 微米厚的聚醯亞胺薄膜製成。新的驅動器、機器人變速箱和機翼鉸鏈“強強聯合”，相比此前工作，該無人機的淨升力提高 83%。

他們還進一步改進了機翼設計，從而讓無人機可在更大氣動載荷下工作，並能在遇到碰撞時 “活下來”。

在提高機翼剛度上，該團隊使用了一種新型碳纖維。他們還對翼根位置進行了修改，飛機內梁由曲線設計、變為直線設計，這樣可提高機翼的碰撞魯棒性。

另外，機翼的前緣翼梁和對角翼梁，都與碳纖維的方向對齊，這樣可增加機翼的剛度，從而幫助無人機在遇到碰撞時可以恢復飛行、以及做出空翻等動作。

在飛行展示中，他們還發現該無人機可實現可控的懸停飛行，如下圖，這是無人機在飛行中出現 10 秒懸停的影象序列。

在這次 10 秒的懸停飛行中，高度誤差小於 0.5 釐米，xy 平面的漂移小於 4 釐米。

在懸停飛行期間，驅動器的輸入電壓幅度在懸停條件下緩慢變化，電壓上下浮動為 20V。相反，在機身快速翻轉過程中，驅動器的電壓幅度在 2-3 次拍打翅膀（60 毫秒）時，將從近 2000V 下降到 200V 以下。

大幅的電壓變化，會給驅動器帶來極大的瞬時應變，但由於驅動器由彈性體制成，因此承受力比剛性驅動器更強。

為展示無人機的敏捷性，他們還進行了受控上升飛行，擬合結果表明，無人機的上升速度達到 70 釐米每秒，相比他們之前的工作，其最大上升速度提高了兩倍以上。

除了演示懸停和上升飛行，該無人機還可透過反饋控制，從飛行中的碰撞中恢復。下圖 a–c 顯示了第一次碰撞恢復演示，演示中他們將無人機向下推，但這種擾動對其影響可以忽略不計。

無人機被擊中後，機身高度降低 4 釐米，然後它逐漸回到懸停設定點。這說明，在飛行干擾中，“昆蟲無人機”有足夠的控制能力和恢復能力。

期間，為驗證無人機的空翻能力，他們做了五次實驗。

據悉，空翻演示需要驅動器來處理輸入訊號的巨量瞬時變化。

談及應用，任智健表示：“它基本可用於目前所有無人機的應用場景，在搜救和探索上，可進入更加狹小封閉的空間。其他應用領域還有野生自然環境的考察、農作物授粉等。受益於仿生和微型的優勢，這款無人機基本不會干擾到野生動物。”

他補充稱：“最近的毅力號火星車上搭載了最新的無人機，由於大氣稀薄，必須增加成倍的轉速才能起飛運作。而我們此次設計的軟體介電驅動器，在高頻運動上比傳統電機更有優勢，同時在低重力環境下，也不影響無人機的飛行。”

兩地成團，均為華裔或華人完成

該研究主要由 Kevin Chen、以及 Kevin Chen 的學生任智健、哈佛大學軟機器人學在讀博士生 Siyi Xu、香港城市大學生物醫學工程系副教授 Pakpong Chirarattananon 等人完成。

其中，Kevin Chen 曾在哈佛大學微機器人實驗室負責人 Robert J. Wood 教授的指導下獲得了哈佛大學工程科學博士學位。他的工作重點是開發能夠在海陸空之間移動和轉換的昆蟲級機器人。他的此次研究，等於畢業後再次和自己的導師合作。

任智健今年 26 歲，是本次論文的第三作者，他是一位上海小夥，師從 Kevin Chen 之前，曾在卡內基梅隆大學獲得機械工程碩士學位，更早之前在上海交通大學獲得自動化學士學位。他告訴 DeepTech：“因為疫情的關係，我去年暑假遠端協助了這篇文章部分資料處理和分析的工作，看到無人機成功翻跟斗的動作時我感覺自己離夢想又更近了一步。”