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哈佛大学的微型机器人实验室,几十年的研究在一个充满压力的时刻达到了顶峰,这只具有开创性的微型机器人蜂进行了它的首次单独飞行。

哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究生伊丽莎白·法雷尔·赫尔布林博士和博士后研究员诺亚·t·贾佛瑞斯、艺术与科学研究生院以及威斯生物启发工程研究所拍下了这一时刻。

已经为这个项目工作了六年的Helbling开始倒计时。

“三,二,一,开始。”

明亮的卤素灯亮了,太阳能机器人蜂发射到空中。在那可怕的一秒钟里,这个微型机器人仍然没有车上的方向盘和控制,朝着灯光倾斜。

镜头外,赫尔布林大叫着切断了电源。这只机器蜂被它的凯夫拉纤维安全带缠住,从空中摔死了。

赫尔布林紧张地笑着说:“这离我很近。”

“它上升了,”Jafferis,谁也为这个项目工作了六年左右,兴奋地回答,从高速摄像机监视器,他正在那里记录测试。

与此同时,哈佛大学的Robobee成为有史以来最轻的飞行器,实现了持续不受约束的飞行。

今天的《自然》杂志描述了2018年8月的里程碑。

“这是几十年来形成的结果,”查尔斯河海洋工程与应用科学教授、威斯研究所(Wyss Institute)核心教员、Robobee项目首席研究员罗伯特·伍德(Robert Wood)说。“动力飞行在某种程度上是一种两难困境,因为在小范围内,质量和动力之间的平衡变得极为棘手,而在小范围内,飞行本来就是低效的。”即使最小的商用电池也比机器人重得多,这也无济于事。为了应对这一挑战,我们已经制定了一些策略,包括提高车辆效率、创造极其轻便的电力电路,以及集成高效太阳能电池。”

为了实现不受束缚的飞行,Robobee的最新版本经历了几个重要的变化,包括增加了第二对翅膀。

“两翼到四翼的改变,加上执行机构和传动比的不太明显的改变,让飞行器更有效率,提升了更多的升力,让我们可以在不使用更多动力的情况下把我们需要的所有东西都带上飞机,”Jafferis说。

增加的翅膀也使这款机器蜂获得了x翼的绰号,以《星球大战》中的四翼星际战斗机命名。

这额外的升力不需要额外的电力,让研究人员切断了让Robobee拴了近10年的电源线,并将太阳能电池和一块电子面板连接到飞行器上。

这种市面上最小的太阳能电池,每片重10毫克,当太阳达到最大强度时,每毫克能产生0.76毫瓦的电能。Robobee X-Wing需要大约三个地球太阳的能量才能飞行,目前还无法进行户外飞行。相反,研究人员在实验室中用卤素灯模拟了这种水平的阳光。

太阳能电池连接到bee下的电子板,该电子板将太阳能阵列的低压信号转换为控制执行器所需的高压驱动信号。太阳能电池位于机翼上方约3厘米处,以避免干扰。

RoboBee card with design information

最后一辆装有太阳能电池和电子设备的汽车重259毫克(约四分之一个回形针),耗电量约120毫瓦,比点亮一串LED圣诞灯上的一个灯泡还低。

他说:“当你在电影里看到工程学的时候,如果有些东西不能用,人们就会破解一两次,然后突然就能用了。真正的科学不是那样的。“我们用各种方法破解了这个问题,最终实现了我们的目标。最后,这非常令人兴奋。”

研究人员将继续进行黑客攻击,目标是切断电源,增加机载控制,使机器人蜂能够飞到外面。

伍德说:“在这个项目的整个生命周期中,我们相继开发了一些具有挑战性的问题的解决方案,比如如何在毫米级建造复杂的设备,如何创造高性能的毫米级人造肌肉,生物灵感的设计,新颖的传感器,以及飞行控制策略。”“现在电力解决方案正在出现,下一步是机载控制。除了这些机器人,我们很高兴这些基础技术正在其他领域找到应用,比如微创手术设备、可穿戴传感器、辅助机器人和触觉通信设备等等。”

哈佛大学已经开发了一系列与毫米级设备制造过程相关的知识产权(IP)。这种IP技术以及相关技术可以应用于微型机器人、医疗设备、消费类电子产品以及各种复杂的机电系统。哈佛大学技术发展办公室正在探索这些领域产生商业影响的机会。

这项研究是由Michael Karpelson共同完成的。它由国家科学基金会和海军研究办公室资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/06/robobee-makes-its-first-solo-flight/

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