仿生机器人 | 来自昆虫的灵感

正文字数：2527字

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视频时长：3分56秒

引言：不管是2008年面世的水母机器人(Aqua Jelly)，还是2013年成功开发出的仿生蜻蜓机器人，亦或是如今出现的“电子袋鼠”机器人，都预示着人类在科学技术上所取得的进步，启示着大自然环境与人类生活之间拥有密不可分的和谐关系。昆虫机器人的灵感来自于自然界中的昆虫，其拥有昆虫本身的诸多优点，今天我们就来通过几个有代表性的案例来了解更多关于昆虫仿生机器人的信息吧！

仿生蜻蜓

Design by:Festo

仿生机器人｜传感器｜机械结构

轻量化结构和功能集成使蜻蜓仿生成为可能，在技术上实现了蜻蜓高度复杂的飞行特性。就像其自然界原型一样，超轻型飞行器可以向四面八方机动，原地盘旋，不用翻转机翼就能飞行，可以应对比直升机、动力滑翔机和无动力滑翔机加起来还要多的飞行条件。

这种独特的飞行行为是通过一种已经在智能飞鸟中发挥了重要作用的设计方法实现的：传感器、驱动器和机械元件等组件以及控制和调节技术装置被安装并匹配在狭小的机载设备上。人造蜻蜓的翼展为 63 厘米，体长为 44 厘米，重量只有 175 克。翅膀由碳纤维框架构成，并覆盖着一层薄箔。电池、九个伺服电机和一个强大的 ARM 微控制器集成在胸腔内，传感器和无线电模块也是如此。弹性聚酰胺和三元共聚物的结构使整个系统变得灵活、超轻且极其坚固。

除了控制拍动频率和单个翅膀的旋转，还可控制四个翅膀中每一个的振幅。转动翅膀决定了推力的方向。振幅控制用于调节推力的大小。与智能手机的控制相结合，人造蜻蜓几乎可以到达任何空间角落。

无论是仿生技术试验台还是日常生活，对我们来说，永久诊断的原则保证了操作的可靠性和过程的稳定性。因此，在飞行过程中，软件不断记录传感器数据，实时评估数据，从而识别复杂事件和临界状态。

蝙蝠机器人

Designer: Festo

蝙蝠仿生｜自主设计｜机械耦合

这就是Festo公司的蝙蝠机器人—BionicFlyingFox，它像真正的蝙蝠一样休息时会倒挂在房梁上。体长87厘米，臂展228厘米，但如此庞大的机器人体重只有580克。

BionicFlyingFox之所以轻，是因为它的仿生皮肤膜是由超薄超轻的薄晶膜而来，由两层密封薄膜和一块针织弹性纤维织物组成。织物本身具有弹性，表面是蜂窝结构，有大约45000个焊接点，无论蝙蝠有多大动作都不用担心变形，且稳定的几何结构使面料受到轻微损伤时，裂缝也不会变大能保持继续飞行。

BionicFlyingFox的运动由多个不同型号的电机控制，并采用机械耦合的形式结合在一起。较大的无刷直流电机可以控制机器人翅膀的拍打动作，小型电机们分别调节翅膀的每个关节，来达到控制飞行高度与方向的目的。

BionicFlyingFox 身上装有以红外摄像机为核心部件的运动追踪，通过画面捕捉，借助机载电子原件和复杂的行为模式，计算出最佳飞行路线，在飞行时，BionicFlyingFox会自行比较预期路线和实际路线，通过机器学习不断高效地调整路线。BionicFlyingFox通过集成机载电子板与一个外置运动追踪系统的相互配合，超轻型飞行物能够在特定空间内进行半自主飞行。为了能使BionicFlyingFox在特定空间内进行半自主飞行，它需要与所谓的运动追踪系统通讯。运动追踪系统能够持续检测它的位置。同时系统还能规划飞行轨迹，并提供必要的控制指令。人可以手动控制飞行物的起飞与降落。在飞行中，自动驾驶仪掌管飞行任务。

昆虫机器人

Designer: 麻省理工学院

昆虫仿生｜人造肌肉｜微型机器人

正如麻省理工学院的研究人员所说，当涉及到机器人时，更大并不总是更好。从授粉无人机到能够定位埋在瓦砾中的幸存者的无人机，微型机器人可以将人类带到我们无法到达的地方。虽然微型机器人的潜力是巨大的，但它们的微型尺寸需要一种高度技术化的制造技术，麻省理工学院的研究人员最近对其进行了改进和测试，以取得成功。新的制造技术由软致动器、弹性体和电压分配器组成，可生产缺陷较少的人造肌肉。

由于微型机器人是轻量级的，在改进这种新的制造技术之前，它们无法携带必要的电力电子设备来允许它们自己飞行。人造肌肉是由软致动器产生的，这些致动器迅速拍打小型无人机的翅膀，让微型机器人飞翔。麻省理工学院的研究人员发现，致动器的表面积越大，所需的电压就越少。考虑到这一点，他们能够创建一个具有20层的致动器，每层的厚度为10微米（大约是红细胞的直径）。

麻省理工学院的研究人员随后开发了软致动器，其运行电压比当前版本低75%，同时承载的有效载荷增加80%。此外，执行器的功率输出增加了300%以上，并延长了微型机器人的使用寿命。正如麻省理工学院助理教授凯文·陈（Kevin Chen）所解释的那样，我们证明，这个重量不到一克的机器人在悬停飞行中飞行的时间最长，误差最小。

在一段新发布的视频中，描述了这些微型机器人背后的设计和建造过程，麻省理工学院的研究人员指出，每个矩形微型机器人有四组机翼，每组由软致动器驱动。这些肌肉状致动器由弹性体层制成，弹性体夹在两个非常薄的电极之间，然后卷成一个柔软的圆柱体。当电压施加到致动器时，电极挤压弹性体，机械应变用于拍打机翼。此外，研究人员优化了由碳纳米管组成的薄电极，以增加致动器的功率输出并降低电压。