“苍蝇机器人”飞行奥秘：高频三维轨迹扇翅

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在机器人领域，微型飞行机器人一直是研究的热点。机器苍蝇这样的微型机器人能被广泛应用在搜救行动和侦察领域，或许还能代替蜜蜂进行机器授粉。目前，哈佛大学技术部办公室已经着手将飞行机器人的某些技术商业化。

类似蜻蜓的小型飞行器。

一个只有硬币大小的机器人，酷似苍蝇，能像苍蝇一样飞翔。它只有80 毫克重，翼展仅有3 厘米，超轻材质使其翅膀每秒能震动达120 次。在实验室的测试飞行中，这种机器苍蝇展示了稳定、可控的飞行性能，目前能连续飞行超过20秒。它能像真苍蝇那样表演各式各样的耍酷动作。有趣的是，经过测算它在飞行时消耗功率与真苍蝇大体一致。
这是哈佛大学怀斯生物工程研究所的罗伯特·伍德(Robert Wood)及其同事共同研发的最新成果，《科学》杂志报道称，这可能是世界上试飞成功的最小的飞行机器人。一直致力于机器苍蝇研究的美国加利福尼亚大学伯克利分校电机工程师罗南德·费林（Ronald Fearing）表示： “这是一项重大的工程学突破，它耗费了科学家15 年时间。”他强调：“这需要非常多的创新设计和制造技术。”
在机器人领域，微型飞行机器人一直是研究的热点。伍德认为，机器苍蝇这样的微型机器人能被广泛应用在搜救行动和侦察领域，或许还能代替蜜蜂进行机器授粉。目前，哈佛大学技术部办公室已经着手将飞行机器人的某些技术商业化。

苍蝇机器人。

苍蝇的天分
苍蝇是自然界最有天分的空气动力学家。一只小小的家蝇可以在1 秒内转弯6 次，它们能够定点盘旋、俯冲、空中直上直下、向后飞、翻筋斗、停在天花板上，它们能敏捷地躲避苍蝇拍并巧妙地停留在一朵花上。食蚜蝇甚至能够定点盘旋，往前飞到另一地点，再分毫不差地回到原来盘旋的地方，是动物界“精确制导”高手。昆虫这种令人吃惊的飞行能力，准确着陆，而后快速起飞，让军方十分感兴趣。
综观飞行史，仿生设计一直如影随形，鸟和蝙蝠在飞机结构设计中起了至关重要的作用，基于大鸟滑翔机理，人们设计了滑翔飞行器，研究大鸟生理结构和飞行原理，使人类乘着飞机上了天。但昆虫和小鸟具有更大的机动灵活性，如能够快速改变运动方向，保持完美高度控制，能够垂直起飞或着陆、悬停、向后运动，甚至可以上下翻滚飞行，只消耗很少能量。
在苍蝇的尺度上，造出完全媲美它们飞行技艺的机器人，是十分困难的。将飞机按照比例缩小不可行，因为在很小的昆虫身上，控制飞行的空气动力特性完全不一样。加州理工学院生物学家迈克尔·迪金森（Michael Dickinson）曾做过试验，研究昆虫在不同气流模式下飞行的空气动力特性。他制作出一只25 厘米长的仿苍蝇翅膀，把它浸在一瓶矿物油中，模拟这么小尺寸下的空气粘度。结果发现，昆虫使用三种不同的翅膀运动来形成及控制形成升力所需的气涡。后来，加州伯克利大学费林的研究团队在这项研究基础上，发现昆虫的飞行牵涉许多系统，包括特别适应感知运动的眼睛，促使翅膀生成不稳定的空气动力的强劲肌肉。大多数昆虫通过调整振翅幅度、仰角和胸部细小肌肉的振翅倾斜度来控制翅膀。
他们仔细剖析了苍蝇的飞行秘密。苍蝇是通过复杂的三维轨迹来拍动翅膀，振翅频率常超过100 赫兹。它使用间接飞行肌来形成那些幅度大、频率高的振翅。之所以叫间接飞行肌，是因为它们会使部分胸部变形，而不是使翅膀本身变形，从而在苍蝇体内引起机械共振。比较小的肌肉直接连到翼铰链，对翅膀运动进行微调。苍蝇甚至拥有平衡棒这种特殊的感觉器官，能在飞行时感知身体转动。这些是苍蝇拥有盘旋、倒立飞行及落在墙壁和天花板上这些超凡本领的关键。
为了能生成足够的推力以便飞离地面，机器苍蝇身体要极其轻便，翅膀动力也要异常强大。另外还需电源、传感器和控制飞行的微芯片。
机器苍蝇和真苍蝇一样也有几个重要的机械飞行部件: 机体（外骨骼）、致动器（飞行肌）、传动器（胸部）和机翼（翅膀）。为了控制重量，机器苍蝇的翅膀用由碳纤维骨架强化的聚酯薄膜构成，而控制翅膀拍动的“肌肉”则是由层状压电材料制成，电流通过就会发生变形。这些精确排列的层状材料模拟了昆虫的飞行肌结构，通过收缩和放松实现扇动翅膀。
机器苍蝇中的微小零件，其中一些仅有微米大小，利用传统的制作工艺难以制造。研究人员想出了一种与在弹出式图书中所采用的模式类似的折叠方法。他们利用柔性铰链制造了一个可弯曲的平面材料薄层，从而使得三维结构一下子变为现实。
参与试验的凯文·马解释说：“与直接制造三维结构相比，将二维结构通过折叠变为三维结构要容易得多。”
但挑战仍然存在，罗伯特·伍德在2010 年的一篇文章里写道：“如何控制仍是个难题。真苍蝇之所以能迅速转身，原因在于它拥有便于迅速反应的特殊神经系统。我们正在研究模拟这种系统的实用方法: 借助许多姿态传感器的输入信息。姿态传感器能测出飞行方向，并直接操纵传动装置。”



在他们发布的视频里，机器苍蝇使用的电力和控制信号仍需要由一根纤细的电缆传送给它，依靠一台计算机监控动作，调整姿势。伍德希望能给它装上微型传感器和足够轻的电池，以摆脱电缆的束缚。
费林表示，目前最大的技术障碍是电池，要设计一款小到能够被机器苍蝇所携带的电池。目前能够提供足够动力的最小电池也有0.5 克重——机器苍蝇的体重才80 毫克。

机械蜻蜓。

仿生机器人的应用
伍德博士的机器人并非目前唯一的实验性微型飞行器。然而，其他的飞行器比大多数昆虫更大更重。
五角大楼的供应商Aero-Vironment 公司设计的最新蜂鸟无人机，翼展有16 厘米；由荷兰代尔夫特理工大学研发的代尔夫特蝇(DelFly Micro) 飞行器，翼展为10 厘米。另一类是直升式机器人，如日本公司精工爱普生(Seiko Epson)目前已研发出一个8 厘米高的机器人，它在同一个轴上安装了对转螺旋桨，从而维持平衡；宾夕法尼亚大学GRASP 实验室在2011 年TED 官方会议上展示了一款只有巴掌大小的四轴飞行器，四个角上的螺旋桨控制着飞行器前进、上升、下降、翻滚。它装有传感器和微处理器，能够不依靠GPS 在充满障碍的笼子里自由穿行，精确地飞到指定位置。一群这样的机器人可以通过编程实现编队飞翔，甚至完成一些复杂任务，如演奏一首钢琴曲。
除了苍蝇，蜜蜂、蚂蚁和蜻蜓也是微型飞行机器人研究的常见对象。
蜻蜓悬浮能力突出，结构轻巧，蜜蜂展现出突出的团队协作和组织能力。
宾夕法尼亚大学GRASP 实验室的群体协作机器人灵感来源于蚂蚁。
这也是伍德博士的研究方向。他希望效仿大自然，设计出算法，让机器人像群居昆虫那样采用简单的局部规则和极少的直接沟通，完成异常复杂的任务。比如，即使没有哪只白蚁手中有蓝图，它们仍能够搭造出比自身大数百万倍的建筑物。
他认为即使只有简单的控制算法，微型机器人也能充当自组织移动传感器网络，扮演重要角色，如搜救行动、危险环境探测及监控、行星探索及楼宇检验等。
微型机器人的好处在于，它们能到达人类无法企及的地方。体型越小越灵活，也越隐蔽。美国国防部高级研究计划局（DARPA）一直在资助“超微型无人机”项目，计划研制出可在楼群间和建筑物中自如飞行的微型无人侦察机，为巷战等特殊环境中的战斗人员及时提供战场情报。
随着传感器的尺寸越来越小，精度越来越高，无人机的尺寸也越做越小。伍德预测，完全自主的机器昆虫有望五年内在实验室条件下展翅飞行。之后五年，我们可能开始看到这些装置出现在人们的日常生活中。
他认为，搜索和救援等民用用途可能与军事和安全领域同样重要。
不过，隐私一直是个问题在2011 年1 月，美国国土安全部科学技术官员罗斯·多尔蒂（Ruth Doherty）对使用无人机监控恐怖主义迹象或保护大型公共活动如“超级碗”表示担忧，“必须在经济上证明它们是可行的，不是一种侵犯性的监控，能被公民接受。”《纽约时报》报道，2007 年的一次反战示威游行上，示威者坚称遭遇类似蜻蜓的小型飞行器的监视。无论真相如何，今后，类似遭遇“机器昆虫”的事件会越来越多。当无人机微型化后，公众对隐私泄露的担忧会加剧。想象一下，一个苍蝇大小的机器人完成狗仔的偷拍任务几乎易如反掌。
《大西洋月刊》多次撰文担忧微型飞行机器人的广泛使用，会对公共安全和隐私造成威胁。在2012 年10 月的一篇文章里，《大西洋月刊》杂志引用机器人专家洛夫乔伊（Lovejoy）的话称：“纳米级微型机器人的出现，将会使人类社会的未来陷入一场巨大的不安和恐慌中。”