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靠激光驱动,RoboFly成为首款无需系绳的微型飞行机器人

导语:目前的微型飞行机器人必须通过电线连接到电源,因为给它们提供电能以及控制它们翅膀的电子设备太重,无法随身携带。而现在华盛顿大学的工程师已经开发出了RoboFly,这是一款无需系绳就能飞行的微型机器人,重量仅相当于一根牙签。

跟昆虫大小相仿的飞行机器人可以完成一些比较耗时的任务,例如监测大型农场的作物生长或嗅探气体泄漏。由于体型太小,这些机器人不能使用螺旋桨,只能拍打微小的翅膀飞行。但体型小的优势在于,这些机器人制造成本低廉,并且能轻易飞入大型无人机无法进入的狭窄地方。

但目前的微型飞行机器人必须通过电线连接到电源,因为给它们提供电能以及控制它们翅膀的电子设备太重,无法随身携带。RoboBee就是这样一种通过拍动翅膀飞行的微型机器人,它也需要系绳。

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而现在华盛顿大学的工程师已经开发出了RoboFly,这是一款无需系绳就能飞行的微型机器人,重量仅相当于一根牙签。该团队的一名成员、助理教授Sawyer Fuller曾是哈佛大学首批创建RoboBee团队的成员之一。他们在RoboBee的基础上首次切断了电源线,并给它增加了一个大脑。这也许是机器人领域的一小步,但却是飞行机器人的一大步。研究团队将于5月23日在澳大利亚布里斯班举办的机器人与自动化国际会议上发表其研究成果。

Sawyer Fuller表示,“此前,昆虫大小的无线飞行机器人只存在于科幻电影中,我们让这一切变成现实呢?显然,我们全新的无线RoboFly更接近现实生活。”

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其中的工程挑战在于翅膀的扇动,这是一个非常耗电的过程。对于一个微型机器人来说,电池和控制器都太笨重。所以Fuller以前开发的飞行机器人RoboBee有一条系绳,它通过电线从地面获得能量和接受控制。

但一个飞行机器人应该能够自己控制。Fuller及其团队决定采用狭窄不可见的激光束为机器人供电。他们将激光束指向一个附着在RoboFly上方的光伏电池,并将激光转换为电力。

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华盛顿大学Paul G. Allen计算机科学与工程学院副教授、另一位研究人员Shyam Gollakota表示,“这是在不增加太多重量的情况下快速向RoboFly传输大量电力的最有效方式。”

但是,激光本身并不能提供足够的电压来让翅膀扇动。因此,该团队设计了一个电路,将光伏电池产生的七伏电压提升到飞行所需的240伏电压。

为了让RoboFly能够控制自己的翅膀,工程师提供了一个大脑:他们在同一个电路中增加了一个微控制器。

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华盛顿大学电气工程系博士研究生,另一名合作研究人员Vikram Iyer表示,“微控制器就像是真实苍蝇的大脑一样,告诉翅膀的肌肉何时发力。对于RoboFly而言,它会指挥翅膀‘现在努力扇动’或‘不要扇动。’”

具体来说,控制器发送波形电压来模仿真实昆虫翅膀的扇动。

第一作者、机械工程博士研究生Johannes James表示,“它使用脉冲来产生波形。为了让翅膀快速地向前摆动,它会连续快速地发射一系列脉冲,然后在接近波的顶部时减慢脉冲。然后反过来,使翅膀在另一个方向上平滑地摆动。”

目前,RoboFly还只能起飞和降落。一旦其电池不在激光的直射范围内,机器人就会逐渐耗尽电力并着陆。但是该团队希望很快能够引导激光,使RoboFly能够盘旋并飞得更远。

Gollakota称,虽然RoboFly目前由激光束供电,但未来的版本可能使用微型电池或从无线电频率信号中获得店里。这样,它们的电源就可以根据特定的任务进行修改。

Fuller说,未来RoboFly还可能会有更先进的大脑和传感器系统,帮助机器人自行导航和完成任务。

他还表示,“我真的很想制造一个发现甲烷泄露的产品。你可以买一个装满他们的手提箱,打开它,他们会在你的大楼周围飞行,寻找从漏气管里冒出来的气体。如果这些机器人能够很容易地发现泄漏,它们将更有可能被修补,这将减少温室气体排放。这是由真正的苍蝇启发的,它们真的擅长四处寻找有气味的东西。所以我们认为这是RoboFly的一个很好的应用。”

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