广东
“蝙蝠机器人”能带人类飞向更远吗
来源:南方日报   时间: 2017-02-20 15:31

  主控板。

  惯性测量装置。

  磁编码器。

  柔性硅胶膜。

  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。

  Soon—Jo Chung表示,目前“蝙蝠机器人”已可以成功直飞30米,其通过调节左右翼和尾部的关节,使薄膜变形,从而达成自主飞行。这些关节都有复杂的算法进行协调,使得机器人可以如同蝙蝠一般飞行,包括倾斜盘旋和俯冲。

  “相较于四轴飞行器,‘蝙蝠机器人’具有许多实际优势:在有人环境中,‘蝙蝠机器人’柔软的翅膀是最显著优势。它不会像四轴飞行器或者其他旋翼航空器那样,因其刚性材料的螺旋桨和高噪音对人类构成潜在危害。相比之下,翼部主要由柔性材料构成的‘蝙蝠机器人’即使碰撞,也不会对自身和障碍物造成很大损坏,而且较低频率的翅膀扇动也会降低噪音。”发表于《科学·机器人学》的论文这样描述其优势。

  报告称,“蝙蝠机器人”的机翼由具有高延展性的柔性硅胶膜制成,只有56微米厚;而骨架由碳纤维构成;整体重约93克,翼展约47厘米。

  科研团队希望,这种高度灵活机动的机器人能够替代四旋翼无人机成为人类的好帮手,它的机翼可以变成任何形状以在建筑勘测中避开横梁,或者在危险地域进行侦查帮助救灾。

  当然,“蝙蝠机器人”的研究刚刚起步。研究人员表示,目前的机器人飞行时间受电池容量的限制,而且现在还太易破损,暂时还不能投入生活中使用。论文还提到,研究人员正在研究如何让“蝙蝠机器人”倒立。

  评点 人造物仍无法与飞行生物媲美

  飞鸟、昆虫以及哺乳动物中的蝙蝠等在上亿年进化历史中,经过不断适应环境和优化选择,其在形态、运动方式、能量利用等方面,达到了几乎完美的程度,为空中仿生机器人的设计提供了很好的借鉴。

  甚至到今天,虽然人类能够造出以数马赫巡航的固定翼飞机,但在精细飞行方面,人造物仍无法与大自然“制造”的飞行器相媲美。在飞机设计领域,“只要推力大,板砖飞上天”这句颇具冷幽默的话经常被爱好者乃至从业人员挂在嘴边,其反映了人造飞行器的某种发展方式:通过强大的动力来补偿空气动力学的缺陷。

  这就导致一个问题:传统的固定翼飞机尺寸和飞行速度降低到一定数量级时,其产生的升力就不足以维持飞行;旋翼型飞机虽然能够微型化,但是机动性方面仍达不到人们要求,距离鸟类乃至蝙蝠更相去甚远。

  虽然人类到目前为止还没有开发出任何一款可以和鸟类或昆虫相媲美的扑翼飞行器,但扑翼飞行却是已被大自然所验证的完美飞行模式。

  例如,时速达3马赫的SR—71超音速飞机,每秒可飞过32倍的机身长度。然而,当一只普通鸽子以80km/h的正常速度飞行的时候,已达到自身体长的75倍,某些雨燕甚至可以达到每秒140倍;在机动性方面,高机动作战飞机(如A—4Skyhawk攻击机)的滚转速率大约是每秒720°,而燕子却可超过每秒5000°,急停、避障、倒飞等特技动作更让人造飞行器望尘莫及;在稳定性和机动飞行方面,人造飞行器根本无法在强气流中飞行,并且只能在特定条件下做出特定机动动作,而鸟类和昆虫不断重复着下拍和上挥的扑翼动作,有些频率甚至高达1000Hz,但其自身却具有极好的稳定性和机动性,能迅速对外界变化作出反应;人造飞行器的失速迎角最大在15°左右,而一些昆虫的失速迎角却可以达到60°。华南理工大学机械与汽车工程学院博士陈亮认为,飞行生物的这种优异性能,人类目前还无法完全模仿,还有大量隐藏在其后的原理、规律没有被人类所认识。

  人类最早尝试飞行时,的确试图模仿鸟类。15世纪,达·芬奇在他的手稿中设计了一个由人力驱动的扑翼模型,被认为是迄今为止最早的设计扑翼飞行器构思。所谓“扑翼”,即如鸟类、昆虫乃至蝙蝠等拍打翅膀进行飞行。

  但载人扑翼飞机至今未有长距飞行成功的先例。在1991年的多伦多大学载人扑翼机实验失败后,有学者分析认为,在扑翼飞行器设计中,重量和尺寸立方成正比:当实验飞机增加了驾驶人员和操纵设备后,重量增大了76倍,而飞行器尺寸只是变成原来的4倍,增加的升力远远不能平衡增加的重量,所以不能真正实现飞行。到目前为止,扑翼飞行器几乎没有载人方向的研究。

  自20世纪以来,微型扑翼飞行器逐渐吸引研究者的关注。陈亮认为,早期对扑翼飞行器的研究主要集中在机构、运动姿态、外观等的简单模仿上,而对扑翼气动特性的研究则开展较少。

  难点

  扑翼飞行应用

  缺理论等支撑

  陈亮指出,近年来,虽然在实物样机和理论分析方面取得了初步的成果,但要想完全理解扑翼飞行的高升力机理,并将其应用到人造飞行器领域,目前仍存在巨大挑战。

  “仅就扑翼运动规律而言,看似周期性上下扑动,实际上还叠加了俯仰、扭转、折叠及复杂的柔性变形,这是一种极其复杂的空间运动,翼面上每一点的气动力都是随时间和空间位置而变化的。”陈亮认为。

  另外,他还指出,扑翼飞行模式在气动力特性的很多方面与其它飞行模式存在明显区别,不同生物在几何结构和运动模式上也存在很大差异,“很难用统一的理论对其描述。总体而言,有关扑翼飞行机理的研究还很不完善。”陈亮在其博士论文中写道。

  陈亮认为,仿生扑翼机器人涉及仿生学、非定常空气动力学、微机械学、微电子学等多个先进学科,而人类对这些学科的研究目前还处于初始阶段。其中,核心问题在于,“传统的稳态空气动力学理论在解释鸟类和昆虫扑翼飞行原理的时候遇到了极大障碍,采用传统理论计算得出的升力根本不能够克服飞行生物自身的重量”。

  而事实上,通过对鸟类和昆虫飞行能力的大量观察表明,飞行生物扑动翅膀时所产生的非定常升力,往往达到定常值的2—3倍,不仅能完全用来平衡昆虫的体重,还可以用来实现极其复杂的高难度机动飞行。

  除了理论方面尚待突破外,仿生扑翼机器人还存在材料和能源的问题。陈亮介绍,蜻蜓、苍蝇等昆虫的翅膀都是由质量非常轻的网状架构和薄膜材料构成,对于这类超轻质、高强度、高柔性生物材料的组成、理化方式和机械性能,我们尚缺乏足够了解。

  国家自然科学基金委工程与材料科学部副主任王国彪在关于仿生机器人研究现状的综述中提到,国内研究人员也始终关注空中仿生机器人的发展动态,在这方面的基础理论和应用上做了大量的研究工作。其中南京航空航天大学通过非定常涡格法的计算,分析仿鸟复合振动的扑翼气动特性,并且据此制作了几种不同大小和形式的仿鸟扑翼飞行器。

  王国彪还表示,北京航空航天大学长期从事昆虫飞行理论研究,通过试验观测、理论计算、模拟仿真的方法研究昆虫飞行、悬停、转弯等动作的实现机理,为微型扑翼飞行器的设计提供了理论依据。

  如何做成的

  “蝙蝠机器人”的机翼由具有高延展性的柔性硅胶膜制成,仅56微米厚;而骨架由碳纤维构成;整体重约93克,翼展约47厘米。

  有何独特性

  目前,“蝙蝠机器人”可以成功直飞30米,其通过调节左右翼和尾部的关节,使薄膜变形,从而达成自主飞行。这些关节都有复杂的算法进行协调,使得机器人可以如同蝙蝠一般飞行,包括倾斜盘旋和俯冲。

  能有啥作用

  能够替代四旋翼无人机成为人类的好帮手,它的机翼可以变成任何形状以在建筑勘测中避开横梁,或者在危险地域进行侦查帮助救灾。

  未来会怎样

  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。

  延伸

  那些神奇的仿生机器人

  1 机器苍蝇

  2013年,哈佛大学团队研制出“机器苍蝇”,重80毫克,翼展仅3厘米,翅膀振动频率为每秒120次。其飞行运动原理和苍蝇非常相似,可像苍蝇一样在空中悬停、转弯;而且,其左右翅膀可单独控制,极大地提升灵活度。

  但“机器苍蝇”尚无法解决电源问题:因现有电源最轻的也达到了0.5克,是机器苍蝇体重的数倍,所以目前只能用一根超轻铜线给机器苍蝇供电,这根线同时用于传递控制信号。

  2 机器鱼

  水下仿生机器人是从模仿鱼类游动开始的,从最初利用电机驱动机械系统模仿鱼类尾部的摆动实现推进。推进模式从早期的身体/尾鳍推进(BCF)发展到中鳍/对鳍推进(MPF),提高了仿生机器人的推进效率和机动性。

  3 机器蛇

  蛇形机器人由于其细长的形体结构以及独特的运动方式,能够跨越窄沟和进入空洞,具有很强的环境适应性和地面运动稳定性。经过几十年研究,蛇形机器人由最初实现仿蛇的基本运动,发展到具有避障、攀爬、翻滚以及水中游动等多种功能,并具备一定环境感知能力。

  撰文:南方日报记者 王诗堃(除署名外)

  策划统筹:张志超

(责任编辑:张 雯)

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