史上最輕無人機登上Nature封面：比回形針還輕，自帶太陽能系統，實現無纜飛行

安妮 郭一璞 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

世界上最輕的無纜飛行器，最近登上了Nature最新版封面。

RoboBee X-Wing，這個來自哈佛的微型飛行機器人，為光能供電，可攜帶最多6塊太陽能電池板。

在三個太陽光級別的強光照直射的條件下，太陽能電池板能提供約110-120毫瓦能量，讓這個微型機器人實現從起飛到持續飛行約半秒時間。

研究人員表示，其推進效率，已經可以與同樣大小的昆蟲相當。研究人員表示，這是迄今為止，重量最輕的不需要電源栓繩飛行的昆蟲級飛行器。

這樣的飛行能力，竟然來自于一個小小的身體：

仿蜜蜂設計，為四翼仿生撲翼系統，相比之前版本多了兩只翅膀。翼展為3.5厘米，高6.5厘米。

回形針般的重量，動力系統加機器本身，只有259毫克。包含一個重約60毫克的光伏陣列，以及一個重約91毫克的信號發生器。

相比于大型飛機在廣闊的天空翱翔，這種蟲子大小、易覆蓋的微型機器人在調查勘探方面更具潛力。

它能夠從自然災害、作物病害甚至戰爭地區中收集圖像和數據，小到不包含任何機械杠桿、齒輪；用于醫療領域，可幫助人類完成大型器械難以到達的區域。

有網友表示細思極恐，這小巧的體型和潛力無限的應用場景，這怕不是《黑鏡》里無處不在的人造殺人蜂？

Nature在介紹中說，創造和昆蟲差不多大的飛行機器人，但既能產生足夠推動力又能保持足夠輕的重量，這一直是一個棘手的問題。

現在， RoboBee X-Wing做到了。

還有網友直接表示，厲害到讓人恐懼。

這到底是什么構造，我們把這個RoboBee拆解一下。

拆解“電子蜜蜂”

第一，要保證材料夠輕，還能耐得住持久飛行。

第二，目前，人類能造出來的制動器和電池還均遠遠達不到生物組織的功率和能量密度，也就是說，研究人員要把電池和飛行裝置裝置“壓縮”到昆蟲那么小，還得能提供強大的能量。

第三，昆蟲飛行時的傳感和控制算法相當復雜，即便是用超級計算機也難以模擬，如何人工實現動物的飛行控制算法也是個難題。

那這臺無人機，究竟是怎么實現的？

整體上，它包含兩個部分：

90毫克的“蜜蜂”身體，帶有4個翅膀，展開總寬度3.5厘米，包含兩個氧化鋁強化的壓電致動器，以此提高空氣動力學效率。

169毫克的集成系統以及電子設備，包括“蜜蜂”身體上方的太陽能系統，還能攜帶6塊太陽能電池。

另外還有動力源、信號發生器等部件，這樣，無人機就得到了能源供應，不需要連接電源就能飛起來，整個組合高6.5厘米。

兩個部分加起來只有259毫克，不到四分之一克，相當于只有一根針的重量。

不過，找到這么小而輕的元器件，可不是一件容易的事，需要做許多專門的定制和改進。

研究團隊對致動器做了改進，在不改變尺寸的情況下，降低了傳動比，使峰值升力增加38％。

另外，在RoboBee此前的版本中，均為2個機翼，但在X-Wing中，研究人員首次將機翼的個數調整到4只。

這是為了在不增加額外動力的情況下提升無人機的上升力，參考P（功率）=F（力）??v（速度），研究團隊需要讓機翼的面積更大，因此，直接把機翼的數量翻倍了。

用上圖這種方式連接，比2個翅膀效率提升了30%。

這樣，四個翅膀就能在四個角度上扇動。

有了翅膀和太陽能電源，并不意味著這只人造的“蜜蜂”就能飛起來，需要設計控制它的系統。

首先，控制翅膀扇動的電流，采用非正弦電流，峰值電壓降低10%。

然后，需要設計具體的電路。

這一部分是雙向反激式轉換器的電路圖，VIN是輸入電壓，CIN是輸入電容，QL是低邊開關，DL是低邊二極管，LP是變壓器的初級繞組，LS是變壓器的次級繞組，QH是高邊開關，DH是高邊二極管和VO是輸出電壓。

而整個電路圖長這樣。

紫色的Flyback就是上面的那張圖，它們驅動兩個致動器，微控制器單元（MCU）中的ADC分別是A（VA）或B（VB）的輸出電壓；與期望電壓Vdes進行比較，并產生相應的脈沖給開關QH,A，QL,A，QH,B和QL,B。A接通，開關QS閉合。CA和CB是致動器的電容。

最后，根據前面的電路圖完成的實體結構就是上面的樣子。

局限性：不能走出實驗室

不過，最后的實踐環節卻困難重重。

研究人員表示，因為能量來源為太陽能電池，因此在實際的測試中，研究者們在實驗室里需要開燈為太陽能系統供能，但實驗中的飛行只能維持半秒。

那為什么不去室外，在太陽底下飛呢？

這是因為我們的自然界中，太陽的光照強度無法支撐這只無人機。

太陽的光照強度為1000W/m2，而在這類無人機中，最先進的無人機需要5~7個太陽的光照強度才能飛起來，而RoboBee X-Wing自身需要3個太陽的光照強度才能飛起來。

另外，室外還有一些環境問題，比如風的影響，或者飛到沒有太陽的陰影中無法供電。

不過，這些都不是問題，研究人員表示，未來會更加關注RoboBee X-Wing在戶外場景的實用性，將需要的太陽光強度由3個太陽光照強度降低到1.5個太陽光照強度。

但最終的目的，是將驅動飛行所需的光照強度降低到一個太陽光照強度以下，這樣才能真正走出實驗室。

未攻克的兩大難題

RoboBee確實很小很酷，但也正是因為體型過小，給研究人員帶來了很多附加的難題。

作為一個仿生的撲翼系統，與固定翼的飛機不同，RoboBee采用的是一種創新型的四翼結構，每個翅膀前后擺動帶動機體飛行。

這種運動是由集成壓電（integrated piezoelectrics）驅動的，在這個過程中完成電能和機械能的轉化，以可以接受的功率產生足夠的升力。

舉個身邊常見的例子，比如打火機的電子打火裝置，就是一種壓電效應的應用。

壓電的長期缺點是，盡管可以對材料施加很大的力，但材料會產生微小變形產生移位，并且需要高電壓。

這樣一來，兩個有待優化的問題接踵而至。

難題一：

如何優化機械傳動系統，最大程度控制移位？

難題二：

如何更高效得將這樣一小塊太陽能電池板產生的低電壓，轉換成壓電驅動所需的200伏脈沖電壓？

在RoboBee之后的研究中，這2個難題也將是研究人員關注的重點。

不過，當前的RoboBee-X-Wing離研究人員的理想版本還很遠。

他們表示，真正的微行飛行機器人，應該像反烏托邦科幻小說《獵物》（Prey）中描繪的場景一樣，飛行了不到一秒鐘，就消失在視野里了。

雖然這種速度目前還是展望，但研究人員表示，隨著電池技術和通信技術的提高，微型機器人的可控飛行已經在人類的掌控之中。

RoboBee的創造者

研究人員將RoboBee-X-Wing的最新成果匯集在論文Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle中，登上了今天的Nature封面。

這篇論文共有四位作者，全部來自哈佛大學。

Noah T. Jafferis和E. Farrell Helbling為這篇文章的共同一作，Jafferis現在是哈佛威斯生物工程研究所的博士后。

Jafferis有一段傳奇的經歷，Device&Materials Engineering資料顯示，在16歲時進入耶魯大學前，他一直在家里接受教育，隨后在普林斯頓大學攻讀博士學位。

確認過眼神，是天才少年沒錯了。

E. Farrell Helbling小姐姐是Robobee項目的首席研究員，也是哈佛的一名博士后，此前就讀于Smith College。

Michael Karpelson主要關注機器人、醫療設備、微型機器人、傳感器等方面，研究電氣、機械和計算機工程的交叉領域，在項目中主要負責動力系統。

Radhika Nagpal是哈佛大學計算機科學教授，也在一直參與RoboBee的研究。

其實，哈佛的RoboBee項目早在2013年就亮相了，當時只能完成起飛和著陸兩項基本任務。

2017年，RoboBee不僅能夠飛行、潛水、游泳，還能從水面彈射而起，并且安全在地面降落。

對于毫米級的機器人來說，能夠在空中和水中飛行有很多挑戰。比方水的密度比空氣大1000倍，因此兩種介質中翅膀拍打的速度相差很大。

當時，還無法做到RoboBee出水后立即恢復飛行。

新一代的RoboBee X-Wing變化最大，增加了第二對機翼，進一步提升了升力，實現了持續地飛行。

未來，RoboBee又將進化成什么樣子呢？

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Nature封面介紹：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01964-3

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1322-0