向瓢虫学习如何“翻跟斗”,仿生无人机再现新进展

7 月 23 日消息,据外媒 IEEE Spectrum 报道,近日研究人员研发了一架搭载人造鞘翅(artificial elytra)的新型无人机。该人造鞘翅模仿昆虫的鞘翅制成,让无人机像昆虫一样,能在四脚朝天时,成功地“翻跟斗”。

▲ 昆虫“四脚朝天”后,通过鞘翅调整身体平衡

瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Switzerland)的研究团队在《IEEE 机器人学和自动化(IEEE Robotics and Automation Letters)》上发布了一篇新的研究,他们模仿瓢虫的鞘翅(elytra),打造了拥有人造鞘翅(artificial elytra)的无人机。

研究人员设计了类似微型飞行器(Micro Aerial Vehicles,MAV)的人造鞘翅,但该设备带有执行器(actuators)。具有人造鞘翅的无人机具有自动扶正(self-righting)的功能,当无人机倒置或翻转时,可以通过人造鞘翅自己恢复正常。研究人员表示,仿造的人工鞘翅不仅可以从危险的情况下“抢救”固定翼无人机(fixed-wing drone),减少无人机的飞行事故 ,还可以节约无人机的能源

鞘翅是瓢虫的黑红色斑点外翅。当瓢虫“四脚朝天”的时侯,瓢虫会通过鞘翅在极短的时间内(零点几秒)来稳定自己的身体,然后伸出腿或后翅,通过俯身实现自我扶正。新型的无人机也是基于这一原理设计。

研究人员测试了不同长度和不同弧度的人造鞘翅,来寻找与固定翼无人机的最佳组合。人造鞘翅的弧度角度对无人机的自动扶正功能几乎没有影响,但人造鞘翅的长度将会影响扶正效果。实验发现,较长的鞘翅可以帮助无人机更快地完成自动扶正

该项研究还对无人机的飞行环境进行了实验。研究人员在 10°、20° 和 30° 等不同倾斜度的地面上测试配有较长鞘翅的无人机的飞行效果,他们发现无人机基本上在任何倾斜角度的地面上都可以通过鞘翅完成自我扶正。此外,他们还测试该款无人机在人行道、粗沙、细沙、岩石、贝壳、木屑和草地的飞行情况。实验表明,除了草地和细沙之外,新款无人机在其他场景中完成自我纠正的成功率达到百分百。

他们还发现,鞘翅在飞行过程中可以通过升力(non-negligible lift)抵消了它们自身的重量,从而节约飞行器的能源。

▲ 无人机模仿甲虫进行新设计

研究人员表示,现在的人造鞘翅是通过一些常见的材料基于甲虫鞘翅的比例模型制造而成。未来,他们将优化人造鞘翅的相关细节,帮助无人机在更复杂的地形上完成自我扶正。

研究团队表示,他们还希望从甲虫鞘翅的其他特征中获得一些设计灵感。研究人员 Charalampos Vourtsis 解释说:“我们希望无人机在一些有灌木、石头或其他障碍物的地方飞行时可以将人造鞘翅折叠起来,就像甲虫一样。”

他认为,折叠的人造鞘翅不但可以帮助无人机以较长的机翼完成长距离飞行,而且还可以帮助无人机在狭窄的空间中快速移动和安全着陆。

结语:昆虫正在“启发”更多的仿生无人机

瑞士的研究团队通过模仿瓢虫的鞘翅和“翻身”,让无人机也添加了一双新的“人造鞘翅”,让无人机在倒置等情况下可以自主恢复飞行。

事实上,无人机从昆虫上学习的案例并不在少数。此前,德国的研究团队通过给无人机加上听觉设备,让无人机像昆虫一样实现“听声辨位”。麻省理工的 Yufeng Chen 也参考昆虫的飞行,让无人机在飞行中发生碰撞、翻滚后可以迅速恢复飞行。随着相关研究的不断深入,仿生无人机或将给人们带来更多惊喜。

来源:IEEE Spectrum

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