Science:受果蝇启发,研究人员开发了新型飞行机器人,自由灵敏

Science:受果蝇启发,研究人员开发了新型飞行机器人,自由灵敏

代尔夫特理工大学的Micro Air Vehicle Laboratory(MAVLab)研究人员开发了一种新型、模仿昆虫的飞行机器人DelFly Nimble,论文在Science上发表。这是与瓦赫宁根大学和研究机构合作开展项目,是第一个自动,自由飞行和敏捷的扑翼机器人的实验,改进了我们对果蝇如何控制侵略性逃生机制的理解。除了开启昆虫飞行研究的进一步潜力外,该机器人卓越的飞行品质开辟了新的无人机应用。

飞行的动物通过扇动翅膀来提供动力和控制飞行。这使得小型的昆虫可以靠近花朵盘旋,但也可以快速逃脱危险,每个人在试图打苍蝇时都会目睹这种动作。动物飞行一直引起生物学家的注意,他们不仅研究复杂的机翼运动模式和空气动力学,还研究它们在敏捷机动过程中的感觉和神经运动系统。最近,飞行动物也成为机器人研究人员的灵感来源,他们试图开发灵活,节能甚至可扩展到昆虫大小的轻型飞行机器人。

新颖的、高度敏捷的飞行机器人

来自MAVLab的TU Delft研究人员开发了一种新型的昆虫飞行机器人,到目前为止,它的性能无与伦比,而且设计简单易用。与飞行昆虫一样,机器人的扑翼每秒击打17次,不仅可以产生保持空中所需的升力,还可以通过对机翼运动的微小调整来控制飞行。受到果蝇的启发,机器人的控制机制已被证明是非常有效的,它不仅可以悬停在现场并向任何方向飞行,而且非常灵活。

“该机器人的最高时速为25公里/小时,甚至可以执行激进的动作,例如360度翻转,类似环和桶形滚动”,该研究的第一作者,该研究的主要设计者Karásek表示,“此外,33厘米的翼展和29克机器人的尺寸,具有出色的动力效率,在完全充电后,进行5分钟的悬停飞行或飞行超过1公里。”

果蝇逃逸机制研究

这除了是一种新颖的自主式微型无人机外,机器人的飞行性能与其可编程性相结合,使其非常适合昆虫飞行的研究。为此,代尔夫特理工大学与瓦赫宁根大学合作。瓦赫宁根大学和研究实验动物学组的Florian Muijres教授说,“当我第一次看到机器人飞行时,我惊讶于它的飞行与昆虫的飞行有多接近。我立刻想到我们可以用它来研究昆虫飞行控制和动力学。”

由于Muijres教授之前的果蝇工作,该团队决定对机器人进行编程,以模仿这些昆虫在高灵敏度逃逸机制过程中的假设控制行为,例如当人们尝试拍打它们时使用的那些。

机器人执行的操作与果蝇中观察到的操作非常相似。机器人甚至能够展示果蝇如何控制转弯角度以最大化其逃生性能。“与动物实验相比,我们完全控制了机器人“大脑”中发生的事情。这让我们能够识别和描述一种新的被动空气动力学机制,它可以帮助苍蝇,但也可能是其他飞行动物,在这些快速倾斜的转弯中指导它们的方向,”Karásek补充说。

未来应用的潜力

在DelFly项目中,MAVLab已经开发了超过10年的昆虫飞行机器人。MAVLab科学领导人Guido de Croon教授说:“昆虫激发的无人机具有很高的新应用潜力,因为它们重量轻,对人类安全,并且比传统的无人机设计能够更有效地飞行,尤其是在较小的规模时。然而,直到现在,这些飞行机器人还没有意识到这种潜力,因为它们要么不够敏捷,要么它们需要过于复杂的制造过程。这项研究中的机器人名为DelFly Nimble,以现有的制造方法为基础,使用现成的组件,其飞行耐久性足以引起研究者们的兴趣。”

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