機器蒼蠅

無論是作為救援機器人或間諜飛行物，這一微型飛行器可以改變羅伯特伍德和他的同事對一般家蠅的看法。

基本介紹

• 中文名：機器蒼蠅
• 重量：六十毫克
• 翼展：三厘米
• 製作者：哈佛大學

簡介

機器蒼蠅的體重只有六十毫克，翼展也僅僅有三厘米，它是典型的仿生學產品，其飛行運動原理和真的蒼蠅非常相似，在哈佛大學完成了它的首飛。

當機器人學家第一次看到他們的作品開始運動和具有“生命”時，沒有其他比在此時更具有價值的時刻了。而羅伯特伍德，就在一年前的此時，當羅伯特伍德的第一雙人工翅膀展翅飛翔的時候，這種初為人父般的驕傲來臨了。

事情源於羅伯特伍德在堅持薄翼式機器人，它使用兩個繃緊的鋼絲。接下來羅伯特伍德接通了外部電源。使用幾毫秒碳纖維作為翅膀，大約有15毫米的長度，它每秒可以來回撲扇120次，就像一個實際的昆蟲在來回撲扇著翅膀。蒼蠅機器人沿著由電線定好的軌道直線起飛。據羅伯特伍德所知，這是首次能夠飛行的昆蟲般大小的機器人。

研究

這項實驗經過了將近十年的時間。一開始是和加利福尼亞大學伯克利分校的導師，電子工程教授Ronald S. Fearing在實驗室做研究。後來，羅伯特伍德將它到羅伯特伍德在哈佛的實驗室。羅伯特伍德和他的同事希望，這個小型飛行機器人將預示著一個實用小規模機器人設計的新時代。

羅伯特伍德和羅伯特伍德的同事在哈佛微型機器人實驗室都在研究製作類昆蟲機器人，主要是打算展現其救援和偵察等功能。一旦他們裝上合適的感測器，飛行控制器和電池，便可以從實驗室外放，投入使用。它可以敏捷的越過障礙物和人所不能達到的地方。

例如，當因發生地震而地殼裂開房屋倒塌時，救援人員必須穿過堆滿碎石的街道去瘋狂的搜尋生還者，同時還要呼吸著充滿有毒粒子的空氣。但他們只能靠著自己去這樣做，因為羅伯特伍德和他的同事有經驗的救援機器人經常會失靈，只要遇到一點雜波就可能面臨失敗。

設計

羅伯特伍德和他的同事有個特別做法，就是讓急救人員將數千回形針大小的飛行機器人分散到整個災區。 小小的機器會偵測生命跡象的，也許是發覺到倖存者呼出的二氧化碳，或者是偵測他們體溫。雖然有一些蒼蠅可能撞碎視窗的玻璃或陷入死角，但是其他的則可以從裂縫和下塌橫樑逃出。 也許只有三個一群，但是使用自己的方式尋找倖存者，每當找到時，他們便原地等待並使用其剩餘的能源向營救人員傳遞他們的調查結果。他們使用無線電轉換成低窄帶頻，接著便傳遞給事先在周圍布好的接收網。所以即使99%的機器蠅本身找不到了，搜尋任務仍是成功的。

設計一個昆蟲機器人比做一個飛機模型可要複雜的多，不過，由於空氣動力學的原因，昆蟲的模型也不一樣。在1999年，麥可迪金森（Michael Dickinson，加利福尼亞大學伯克利分校的一名生物學家，現於加州理工學院）以一個25厘米大小的仿蒼蠅翅膀，通過為其浸沒礦物油來模擬空氣粘度的實驗，首次證實了在不同模式的氣流中昆蟲飛行的基本空氣學原理。結果表明，昆蟲是使用三種不同的翼運動來創造並控制空氣旋渦需要產生上升力。

利用麥可迪金森的模式分析結果，羅伯特伍德和其他人在Fearing的實驗室里開始模仿製作昆蟲那令人難以置信的翅膀運動。其中一部分挑戰來自於許多有助於蒼蠅飛行的系統，包括眼睛（特別是協調其感知運動）和能夠產生非定常空氣動力來驅動機翼的強大有力的肌肉。許多昆蟲通過調整自身雙翼的振幅，飛行角度和腹部的收縮來控制他們的翅膀。蒼蠅更是具有叫作衡棒的（Haltere）特殊感知器官，在飛行時能夠感知身體的旋轉。這個特性是它能夠在空中盤旋，飛上飛下，附著牆壁甚至天花板的關鍵所在。

套用

製作移動式機器人的主要目的在於他們能夠到達人類所不能到達的地方，例如戰場上的無掩護地帶。現在，主要還是軍方在使用這種機器人，因為每個定價就達10萬美元。使他達到具有法律效力並且用於緊急營救服務還需要更新的進展。羅伯特伍德和他的同事非常注重選材，既要價格合適也要適合工作。因為為羅伯特伍德和他的同事所構想的機器人花不到10美元，所以耐用就相對次要一些了。

羅伯特伍德和他的同事著重研究兩翅昆蟲，諸如家蠅，蚜蠅和果蠅等等。蒼蠅是地球上飛行能力極強的物種之一，雖然他們體型很小，但他們天生健康強壯，在飛行時能經得住各種強烈撞擊。

蒼蠅以其驚人的機動性和通過複雜的往往超過100赫茲的三維軌跡頻率移動其翅膀。上沖和下沖模式在其盤旋時幾乎是對稱的，但是在起飛或者前行時卻是及其不對稱的。蒼蠅通過使用間接的飛行肌肉來產生巨大的振幅和高頻的振翅。這樣說是因為他們改變其部分胸膛，而不是改變自身的翅膀。在蒼蠅的身體上產生共振機制。較小的肌肉則直接連線到翅膀神經上以便協調翅膀的運動。

特點

由於體型小，蒼蠅周圍氣流的粘性比鳥類或者機翼固定的飛機更大。對昆蟲來說飛行就像是踩水一樣。蒼蠅翅膀運動產生的空氣動力可以在千分之一秒內改變激烈程度。相反，傳統的機翼卻受制於平穩的氣體流動。正是因為這個差異，預測飛機性能的分析工具對於動態飛行昆蟲效果甚微，這也使得羅伯特伍德和他的同事的工作愈發的困難重重。

經過無數次的反覆試驗，羅伯特伍德和他的同事的機器蠅以其自己獨特的發展方式，在功能上漸漸的越來越像真的蒼蠅一樣。羅伯特伍德和他的同事運用了生物學最基本的兩個原則：機翼面積與身體重量的比例和翅膀的撲閃頻率。還有，因為在這方面電子設備並不占優勢，所以羅伯特伍德和他的同事沒有必要盲目的對無脊椎動物的生理進行模仿。就拿昆蟲胸膛和翅膀的彈性和結構屬性來說，因為他們都是由角素構成的，所以再堅韌的普通多聚糖化合物都還是比不上碳纖維來的堅固。

扭曲和拍打

對昆蟲而言飛行就像踩水一樣。包括翅膀複雜的拍打和扭動運動在內，蒼蠅已經有一套複雜的機制來調節自己的飛行。為了讓他一直在攝像機的範圍內，羅伯特伍德和他的同事將其夾住測試，結果機器蠅每秒也能有120次扇翅。

如右圖，羅伯特伍德和他的同事的機器蠅也有和真正的蒼蠅相同的主要飛行結構：機身（外骨骼），發動機（飛行肌） ，傳動機（胸） ，機翼（翅膀）。其每部分的功能都比較簡單。機體必須為發動機和傳動機提供一個堅實的機械地面。驅動器為機器蠅胸的共振提供能源。最後，機翼必須在一些根本性不同的氣動條件下保持足夠的剛性以維持自身形狀。

羅伯特伍德和他的同事的設計注意到了物理學中最精細的部分。由於機器人設備的縮小，地面力量開始在動態運動中占主導地位。由於體積越小接觸面就越大，摩擦力也就越大，這就使得軸承的作用也很有限。然而，因為羅伯特伍德和他的同事僅僅是設計的機器人，所以並不意味著羅伯特伍德和他的同事知道如何製作他，使它機械部件誤差遠低於標準製造工藝。羅伯特伍德和他的同事既不需要僱傭微電子機械系統也不需要微機電系統，因為這些對於機器蠅要承受的壓力來說太易碎了。更重要的是製作一個微機電系統原型需要花費很多時間，而羅伯特伍德和他的同事的設計策略正是要建立大量的原型。

材料

羅伯特伍德現在使用的是製作精良硬度適中的碳纖維增強複合材料，而不是雷射微細加工技術的超薄材料。這些簡便的技術能使羅伯特伍德和他的同事在一周內便可以製作出一個機器蠅的原型。

為了製作關節，羅伯特伍德和他的同事在兩個又薄又硬的碳化纖維中間割開裂縫，在其中間夾入薄薄的聚合纖維，這樣就可以來回的彎曲而不致使其失靈。四個這樣的關節都是用一系列長短不一，平而堅硬的碳纖維連線起來。對於連結長度適當的選擇，其傳輸可以讓原來的小角度轉動向相反方向做更大的運動。

為了使得發動機模擬真實的肌肉運動，羅伯特伍德和他的同事為他增加了碳纖維混合物。這種碳纖維混合物是一種受電場可以改變形狀的電鍍材料。在設計這些電機的時，不但要讓他們保證有足夠的能量供給，還要儘可能的使其更小更輕便。這也是羅伯特伍德和他的同事的首要任務。電機的能源密度為每千克400多瓦，比普通蒼蠅翅膀肌肉能力的4倍還多！在成功模擬翅膀運動後緊接著的第二個突破口便是使用四根連線桿，令羅伯特伍德和他的同事滿意的是，這種機制與雙翅類昆蟲非常相似，也是使用其胸腔來控制他們的翅膀運動。

羅伯特伍德和他的同事最新版機器蠅的重量只有60毫克，與雙翅類昆蟲的重量幾乎一樣，而對自身的推力將近卻是他們的兩倍。這跟正真的蒼蠅幾乎一樣了，比如可以獲得3倍至5倍於自身重量的升力。緊接著的目標是讓他盤旋，這在有限的空間裡是非常機動化的。盤旋這種能力也使得他們能夠在適當的位置轉身。

為了保證穩定自由的飛行，還需要安裝和小型化三各部件：感應器，控制器和電源。許多實驗室和公司正在開發一套可靠的感應器，通過生物學的感應系統，使機器人穩定飛行和控制一些簡單的行為。羅伯特伍德以前的導師展示過生物啟發陀螺儀和有探測視野能力的感測器，在華盛頓特區，已經開發出了重量不到1克的視覺感測器用來協助飛行機器人導航。

控制

如何控制仍然是一個挑戰。一個真正的蒼蠅能夠快速的轉身，因為它有一個專門的反應迅速的神經系統。在蒼蠅體內，神經衝動從內部反饋到感測器，期間無需中樞神經系統處理便直接調節飛行肌。羅伯特伍德和他的同事正在尋找有效的途徑來模仿這種神經系統，通過一些姿態感測器指明飛行方向然後直接操縱電機。

接下來便是機器蠅如何獲取能源的問題了。一塊足以提供機器蠅飛行的電池將比一般的電池占用更大的面積體積比。羅伯特伍德和他的同事估計如今壓縮過的最好的鋰電池也要50毫克，占了機器蠅體重的一半！而且也只能維持他5-10分鐘的飛行。為了增加飛行時間，羅伯特伍德和他的同事必須增加電池的能量密度，或者開發自給能量技術，比如在他背上安裝一個太陽能電池板，又或者將其翅膀的振動轉換成電流等等。

低功耗

現在，羅伯特伍德和他的同事要把的注意力轉移到機器人的低功耗分散控制算法上來。雖然群居昆蟲用簡單的局部規則和直接的方法進行溝通，但他們完成的任務卻驚人的複雜。例如，在沒有一個白蟻有藍圖的情況下，他們依然能夠能建造一種比他們自身大數百萬倍的建築物。相信羅伯特伍德和他的同事的機器人終有一天也會成為學習這種昆蟲本領的工具。這樣就可以幫羅伯特伍德和他的同事設計算法，使成群的簡單機器人去完成複雜的任務。

有了基本的控制算法後，羅伯特伍德和他的同事期盼微型機器人在特設的移動感測器網路能起更重要的作用。搜尋與救援行動，危險環境中的探索和監測，行星探測和建築物巡查，只是一小部分高度靈活的昆蟲類救援機器人的潛在套用。

翅膀上的智慧型感測器並不是一個遙遠的夢：羅伯特伍德和他的同事預測一個完全自主的機器人昆蟲需要在實驗室進行5年的研發過程；而五年以後，我們將看到這些設備開始融入我們的日常生活