美國(guó)工程師創(chuàng)新翼型助小型機(jī)器人如蚱蜢般飛翔延長(zhǎng)續(xù)航

普林斯頓大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的昆蟲(chóng)尺度的機(jī)器人模型，靈感來(lái)自美國(guó)蚱蜢獨(dú)特的飛行力學(xué)。

蚱蜢那種笨拙的飛行方式或許能解決機(jī)器人領(lǐng)域最大的電力問(wèn)題。

標(biāo)準(zhǔn)微型機(jī)器人通常是模仿蜜蜂的。不過(guò)，這種設(shè)計(jì)耗電量大，導(dǎo)致大多數(shù)微型機(jī)器人幾乎在起飛后不久就得充電。

這就是團(tuán)隊(duì)為何開(kāi)始研究這些昆蟲(chóng)如何在跳躍、拍打和滑翔之間切換。

目標(biāo)是克服一個(gè)主要難題：微型飛行器的高能耗和對(duì)重電池的需求。

“滑翔是一種廉價(jià)的飛行方式，”機(jī)械與航空工程副教授艾米·維薩說(shuō)。

滑翔模式

拍打飛行是一項(xiàng)耗能很大的活動(dòng)，蜜蜂或蒼蠅依賴于此。

對(duì)于昆蟲(chóng)大小的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，能夠支持持續(xù)拍打的電池重量往往超過(guò)機(jī)器人的自重。

但螞蚱則通過(guò)廉價(jià)飛行或滑翔來(lái)節(jié)省能量。這讓機(jī)器人在需要時(shí)可以用動(dòng)力來(lái)推，并在節(jié)省電池時(shí)展開(kāi)翅膀滑翔。

在這項(xiàng)研究中，Wissa的團(tuán)隊(duì)與伊利諾伊大學(xué)香檳分校的生物學(xué)家合作，研究真實(shí)的蚱蜢翅膀。

雖然蚱蜢有兩對(duì)翅膀，但研究人員專注于后翅，旨在揭示高效飛行的秘密。

后翅具有波紋狀的三維“山丘和山谷”圖案，具有雙重功能：既提供拍打所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能在不使用時(shí)將翅膀整齊折疊。

為了理解這種飛行效率，研究人員對(duì)蚱蜢的后翅進(jìn)行了高分辨率CT掃描。

研究發(fā)現(xiàn)，螞蚱的翅膀提供了獨(dú)特的機(jī)械優(yōu)勢(shì)：它們可以收起以提高地面機(jī)動(dòng)性，并發(fā)射時(shí)阻力最小。

機(jī)器人飛行效率

為了驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)將3D打印的翅膀浸入水道中，以研究流體動(dòng)力學(xué)，利用水流來(lái)優(yōu)化翅膀的空氣動(dòng)力學(xué)形狀。

這些優(yōu)化后的翅膀隨后被安裝在輕量化框架上，并在普林斯頓機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中發(fā)射。

在高速運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)的監(jiān)視下，這些合成滑翔機(jī)取得了一個(gè)重要的進(jìn)展：它們的飛行性能與真實(shí)生物螞蚱的效率相匹配。

研究揭示了一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。雖然真正的螞蚱翅膀是波紋狀的，表面有助于它們折疊的尖銳山丘和谷底，但團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光滑的翅膀在測(cè)試中實(shí)際上滑行得更有效。

“這讓我們意識(shí)到這些波紋可能是為了其他原因而進(jìn)化的，”作為研究主要調(diào)查員的Wissa 補(bǔ)充道。

看來(lái)大自然為了結(jié)構(gòu)的需要而犧牲了一些空氣動(dòng)力學(xué)的完美；這些脊可能是為了幫助翅膀折疊，或者應(yīng)對(duì)陡峭的飛行角度。

團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)挑戰(zhàn)是弄清楚如何讓這些翅膀自動(dòng)展開(kāi)和收回，而不增加沉重的馬達(dá)。