昆虫级微型飞行机器人取得突破性进展
一种尺寸接近昆虫的微型飞行机器人最近问世，其敏捷性能令人印象深刻。在几秒钟内，它能够完成急转弯和连续空翻。该研究成果刊载于《科学进展》。
自然界中的昆虫是地球上最具敏捷性的生物之一，能够在空中完成高难度的机动，如急转弯、急停和空中翻转。多年来，工程师们一直试图为微型飞行机器人赋予类似的机动能力。如今，来自美国麻省理工学院（MIT）的科学家团队实现了这一领域的关键突破。他们开发的新型微型扑翼机器人在速度和机动性上超越了所有此前机型，甚至接近真实昆虫的灵活性。
据美国内华达大学里诺分校航空航天工程师Hoang-Vu Phan表示，这项发明标志着微型飞行机器人性能的重大进步。他指出，这一成果使该领域更接近于开发出真正具备自主能力、可用于现实任务的昆虫大小飞行机器人。
尽管近年来飞行机器人技术取得了显著进展，但将其体积缩小到昆虫级别仍面临极大挑战。MIT工程物理学家、论文作者陈宇峰表示：“所有部件都需要从头开始重新设计。” 在微观尺度下，微型电机的效率显著下降，而微小的气流扰动也极易影响扑翼与关节结构，这些部件通常因重量限制而被设计得非常轻巧。
尽管昆虫能够承受与固体碰撞或强风带来的冲击，但目前的微型机器人仍难以具备类似耐久性。问题在于，人工合成材料在韧性和抗冲击性方面尚无法与生物结构相匹敌。
陈宇峰团队此前已成功开发出重量仅750毫克、续航时间达1000秒的微型飞行器。然而，控制器——即机器人执行复杂飞行任务的“电子大脑”——仍然是一个技术瓶颈。由于微型飞行器需要在空中快速适应气流和摩擦力的变化，因此需要一个高效且能够处理不确定性的控制算法。
MIT天体物理学家兼航空工程师Jonathan How提出了一种基于管状模型预测控制（Tubular MPC）的解决方案。他解释说，这种控制策略为机器人的飞行轨迹创建了一个动态的缓冲区域，防止其因意外扰动而进入危险状态。
How强调，控制器的核心创新在于集成了一个神经网络，该网络模仿了果蝇的中枢神经系统。这种算法使机器人能够快速计算最优飞行路径，并在空中以安全的方式进行旋转。
最终开发出的微型机器人直径仅为4厘米，重量轻于一枚回形针。其飞行速度较现有微型机器人提高了五倍，加速能力提升了两倍。在每秒160厘米的阵风中，它依然能够完成急转弯。最引人注目的是，该机器人能在11秒内完成10次连续空翻。正如Phan所评价的那样，它展现出“此前仅在真实昆虫身上观察到的敏捷性和鲁棒性”。
不过，该机器人仍面临一些实际限制。多伦多大学机器人专家Pakpong Chirarattananon指出，最明显的问题是需要依赖外部电源。由于微型电池的能量密度有限，机器人目前必须通过线缆供电，这限制了其活动范围。
陈宇峰和How表示，他们计划进一步开发更小型化的摄像头和传感器，以便将其集成到机器人中，从而拓展其在搜索与救援领域的应用。“比如在地震后，”陈宇峰提到，“我们可以将这些微型机器人送入废墟裂缝中寻找幸存者。”
此外，该机器人也被视为潜在的授粉辅助工具。然而，How认为，目前的技术尚不足以支持其安全地降落在花朵上。“我们确实希望实现这一点，但现阶段技术条件还无法满足。”