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【视点】“蝙蝠机器人”能带人类飞得更远吗?

2017-02-22 08:53
小伊琳
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美国研制出新型仿生机器人——重约93克翼展约47厘米,能像蝙蝠一样飞翔 “蝙蝠机器人”能带人类飞向更远吗

一只能够自主飞行的蝙蝠机器人登上了《科学·机器人学》的封面。研究团队报告说,他们模仿蝙蝠的生理结构,用新型材料制造出了这种机器蝙蝠。它体型较小,重约93克,翼展约47厘米,能够像蝙蝠一样飞翔。

事实上,虽然四轴飞行器在无人机领域已有广泛应用,但仍然远远比不上大自然“制造”的飞行生物,例如鸟类和蝙蝠。特别是蝙蝠,其飞行机制,在动物中是最复杂之一,模仿其结构的“蝙蝠机器人”能够适应普通四轴飞行器无法施展的特殊环境,用途广泛。

值得注意的是,《科学·机器人学》系顶级学术刊物《科学》杂志的子刊,于去年12月创刊。在人工智能如火如荼的今天,杂志对“蝙蝠机器人”的报道,向我们强调了机器人学的另一大分支——仿生机器人。

有专家指出,传统仿生机器人存在“形似而神不似”的问题。目前,学界正向着刚柔混合结构,仿生结构、材料、驱动一体化,神经元精细控制,高效能量转换的类生命系统方向发展。近年也出现了机器苍蝇、机器蝴蝶等一大批或应用前景广泛、或设计概念新颖的仿生机器人。

亮点:“蝙蝠机器人”可实现自主飞行

同样是飞行生物,蝙蝠的飞行能力比鸟类难以模仿得多:不同于鸟类翅膀由中空骨头支撑的简约结构,作为哺乳动物的蝙蝠,其翅膀由坚实的骨头、关节和皮肤组成。科学家发现,蝙蝠的翅膀极其灵活,拥有超过40个关节,科学家称之为“40个自由度”。

“蝙蝠的飞行能力是空中机器人梦寐以求的。它能执行复杂的飞行技能,比如颠倒栖息和快速转弯。蝙蝠还有非常复杂的机翼运动,有超过40个关节和非常薄的膜翅膀。”论文的通讯作者、加州理工学院教授Soon—Jo Chung说。

因为这些灵活的关节,科学家发现,蝙蝠能够通过类似“曲肘”或“翻腕”的动作控制向前或向后飞行。而且,在每个翼跳周期期间,有些骨骼会随着翅膀扇动变形,以控制飞行姿态。相较于鸟类,蝙蝠具有难以置信的机动性,可用翅膀拦截昆虫。更早的时候,一项来自美国南加利福尼亚大学的研究显示,一般鸟类通常只借助双翼向下运动产生升力,而蝙蝠在飞行时,双翼向上运动同样可以产生升力。

蝙蝠灵活的翅膀令科学家赞叹不已,但制造“蝙蝠机器人”也因此变得十分困难,对机器人建模、设计和控制提出了大量技术挑战。来自美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校和加州理工学院的科研团队经过数年探索,于去年研制了名为Bat Bot(B2)的“蝙蝠机器人”,并登上了2017年2月份最新一期的《科学·机器人学》封面。

由于种种限制,研究团队并没有完全模仿蝙蝠的翅膀结构,他们只参考了蝙蝠的5个自由度:肘部、肩部、腿部、腕部和尾部的运动。虽然与蝙蝠相去甚远,但团队认为,“蝙蝠机器人”可以复制蝙蝠57%以上的飞行动作。

最令人眼前一亮的是,“蝙蝠机器人”的飞行无需远程操作,而是通过机载计算机和几个传感器控制,根据不同环境自主导航。Soon—Jo Chung介绍,为实现“蝙蝠机器人”自主飞行,它采用机载的定制电子部件,导航和控制算法在主控板上实时运行,而处理传感器数据和控制制动器用的是单独的数据采集器。传感器包含一个惯性测量装置(IMU)和五个位于肘部、臀部和翅膀关节处的磁编码器。

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