全新研發的昆蟲尺寸機器人可全方位自由飛行

美國一組科學家為「Bee ++」合成並實裝了高效能的六自由度飛行控制器。「Bee ++」是一款由四個獨立驅動的撲翼驅動的昆蟲尺寸飛行機器人。

「Bee++」原型機的四片翅膀由碳纖維和聚酯薄膜製成，並配有四個輕量致動器分別控制每一片翅膀，它也是首個能全方位穩定飛行的同類機器人。（圖片出處：Bena等人，doi: 10.1109/TRO.2022.3218260）

三十多年來，研究人員一直致力於研發人工飛行昆蟲。

未來，它們有望在眾多領域發揮作用，像是人工授粉、狹小空間的搜救行動、生物研究，或是包括惡劣環境在內的環境監測等。

然而，要讓這些微小的機器人起飛和降落，就需要研發出能模擬昆蟲大腦運作方式的控制器。

華盛頓州立大學的研究員內斯托·佩雷斯 - 阿蘭西維亞博士表示：「這是機器人設計與控制的結合。」

「控制涉及高度的數學知識，你要設計一種人工大腦。有些人稱之為隱形技術，但要是沒有這些簡單的『大腦』，一切都無法運作。」

佩雷斯 - 阿蘭西維亞博士及其同事最初研發的是雙翼機器蜜蜂，但它的活動受限。

2019年，他們打造出一款重量輕到足以起飛的四翼機器人。

為了做出俯仰或橫滾這兩種動作，它們讓前翼和後翼以不同方式撲動來完成俯仰動作，讓右翼和左翼以不同方式撲動以完成橫滾動作，藉此產生扭矩，使機器人繞其兩個主要水平軸旋轉。

然而，能控制複雜的偏航運動極為重要。若做不到，機器人就會失控旋轉，無法聚焦於某一點，最終墜毀。

佩雷斯 - 阿蘭西維亞博士說：「要是無法控制偏航，活動就會受到極大限制。假設你是一隻蜜蜂，花就在那裡，但要是無法控制偏航，你在飛向花朵的途中就會一直旋轉。」

「具備所有方向的活動能力，對於躲避動作或追蹤物體也至關重要。」

「這個系統極不穩定，問題難度超高。多年來，人們對於如何控制偏航有一些理論想法，但由於驅動限制，一直無人能實現。」

為了讓機器人能有控制地扭轉，研究人員從昆蟲身上獲得靈感，調整翅膀，使其在傾斜平面上撲動。

他們還將機器人每秒的撲翼次數從100次提高到160次。

佩雷斯 - 阿蘭西維亞博士表示：「解決方案一部分在於機器人的物理設計，此外，我們還發明瞭一種全新的控制器設計——也就是告訴機器人該做什麼的『大腦』。」

「Bee ++重95毫克，翼展33毫米，仍比真正的蜜蜂大，真正的蜜蜂體重約10毫克。」

「和真正的昆蟲不同，它一次只能自主飛行約五分鐘，所以大多數時候要透過電纜連線電源。」

「我們也在努力研發其他型別的昆蟲機器人，包括爬行類和水黽式機器人。」

該團隊的研究成果發表在《IEEE機器人學匯刊》期刊上。

Ryan M. Bena等人，2023年。《Bee++的高效能六自由度飛行控制：傾斜撲動平面方法》，《IEEE機器人學匯刊》39卷第2期：1668 - 1684；doi: 10.1109/TRO.2022.3218260