近日研究人員研發(fā)了一架搭載人造鞘翅(artificial elytra)的新型無人機。該人造鞘翅模仿昆蟲的鞘翅制成，讓無人機像昆蟲一樣，能在四腳朝天時，成功地“翻跟斗”。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Switzerland)的研究團隊在《IEEE 機器人學(xué)和自動化(IEEE Robotics and Automation Letters)》上發(fā)布了一篇新的研究，他們模仿瓢蟲的鞘翅(elytra)，打造了擁有人造鞘翅(artificial elytra)的無人機。
研究人員設(shè)計了類似微型飛行器(Micro Aerial Vehicles，MAV)的人造鞘翅，但該設(shè)備帶有執(zhí)行器(actuators)。具有人造鞘翅的無人機具有自動扶正(self-righting)的功能，當(dāng)無人機倒置或翻轉(zhuǎn)時，可以通過人造鞘翅自己恢復(fù)正常。研究人員表示，仿造的人工鞘翅不僅可以從危險的情況下“搶救”固定翼無人機(fixed-wing drone)，減少無人機的飛行事故 ，還可以節(jié)約無人機的能源。
鞘翅是瓢蟲的黑紅色斑點外翅。當(dāng)瓢蟲“四腳朝天”的時侯，瓢蟲會通過鞘翅在極短的時間內(nèi)(零點幾秒)來穩(wěn)定自己的身體，然后伸出腿或后翅，通過俯身實現(xiàn)自我扶正。新型的無人機也是基于這一原理設(shè)計。
研究人員測試了不同長度和不同弧度的人造鞘翅，來尋找與固定翼無人機的最佳組合。人造鞘翅的弧度角度對無人機的自動扶正功能幾乎沒有影響，但人造鞘翅的長度將會影響扶正效果。實驗發(fā)現(xiàn)，較長的鞘翅可以幫助無人機更快地完成自動扶正。
該項研究還對無人機的飛行環(huán)境進行了實驗。研究人員在 10°、20° 和 30° 等不同傾斜度的地面上測試配有較長鞘翅的無人機的飛行效果，他們發(fā)現(xiàn)無人機基本上在任何傾斜角度的地面上都可以通過鞘翅完成自我扶正。此外，他們還測試該款無人機在人行道、粗沙、細(xì)沙、巖石、貝殼、木屑和草地的飛行情況。實驗表明，除了草地和細(xì)沙之外，新款無人機在其他場景中完成自我糾正的成功率達到百分百。
他們還發(fā)現(xiàn)，鞘翅在飛行過程中可以通過升力(non-negligible lift)抵消了它們自身的重量，從而節(jié)約飛行器的能源。
研究人員表示，現(xiàn)在的人造鞘翅是通過一些常見的材料基于甲蟲鞘翅的比例模型制造而成。未來，他們將優(yōu)化人造鞘翅的相關(guān)細(xì)節(jié)，幫助無人機在更復(fù)雜的地形上完成自我扶正。
研究團隊表示，他們還希望從甲蟲鞘翅的其他特征中獲得一些設(shè)計靈感。研究人員 Charalampos Vourtsis 解釋說：“我們希望無人機在一些有灌木、石頭或其他障礙物的地方飛行時可以將人造鞘翅折疊起來，就像甲蟲一樣。”
他認(rèn)為，折疊的人造鞘翅不但可以幫助無人機以較長的機翼完成長距離飛行，而且還可以幫助無人機在狹窄的空間中快速移動和安全著陸。
結(jié)語：昆蟲正在“啟發(fā)”更多的仿生無人機
瑞士的研究團隊通過模仿瓢蟲的鞘翅和“翻身”，讓無人機也添加了一雙新的“人造鞘翅”，讓無人機在倒置等情況下可以自主恢復(fù)飛行。
事實上，無人機從昆蟲上學(xué)習(xí)的案例并不在少數(shù)。此前，德國的研究團隊通過給無人機加上聽覺設(shè)備，讓無人機像昆蟲一樣實現(xiàn)“聽聲辨位”。麻省理工的 Yufeng Chen 也參考昆蟲的飛行，讓無人機在飛行中發(fā)生碰撞、翻滾后可以迅速恢復(fù)飛行。隨著相關(guān)研究的不斷深入，仿生無人機或?qū)⒔o人們帶來更多驚喜。
