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1、世界科学 2 0 0 8 . 6未 来 科 学没有比机器人研究工作者第一次看到自己的创作开始具有生命迹象更有价值的时刻了。对我来说， 在去年的这个时候， 我的人工苍蝇第一次振动翅膀飞翔的那一刻， 我感到了成为一名“ 父亲” 的自豪罗均 / 编译事情的起因是我将一种比指尖还小的薄翼式苍蝇机器人锚定在两根拉紧的钢丝之间（相当于一个缩小的发射台的穿梭空间） ，当我打开电源开关后， 1 5毫米长的碳纤维翅膀开始以每秒 1 2 0次的速度来回拍打，就像真实的昆虫翅膀那样拍打扭动机器人像出膛的子弹一般笔直沿着钢丝预设的轨迹前进。据我所知， 这是昆虫般大小的机器人的首次飞行。研制微型机器人初衷这项薄翼式微型
2、飞行机器人实验是近十年来研究工作的顶点， 开始于我当时的导师、 伯克利加利福尼亚大学电子工程学教授罗纳德 S 费林 （R o n a l dS . F e a r -i n g ） 的实验室， 后又转到我在哈佛大学的微型机器人实验室。我们期望，该实验将预示着一个应用微型机器人设计的新纪元。我和同事们期望，我们所设计的类昆虫机器人能在救援和侦察等方面发挥作用一旦被安装上传感器、 飞行控制器和电池，它们将不再局限于实验室的范围，可以敏捷地围绕障碍物来回飞行，并能到达人类难以到达的区域。例如， 当一次较强的地震发生后，救援人员必须穿行在瓦砾破碎的灾区并在充满有毒颗粒的空气中搜寻幸存者。他们必须依靠自
3、己，因为已有的救援机器人无法正常工作，并常常在恶劣条件下工作失常。我们设想一个截然不同的做法：在整个灾区放飞数千个回形针般大小的飞行机器人，这些微型机器人或是通过幸存者呼出的二氧化碳、或是循着他们的体温来侦测生命迹象。虽然其中的大部分机器人可能因撞上障碍物或陷入死角而失去作用，但有些则会穿越缝隙或是塌陷的横梁成功地找到幸存者，停在那里用剩余的能量发出信号，通知救援人员前去营救（通过车载无线电频率发射机，与装备有该地区通讯参数的救援者进行通讯） 。即使大部分机器人失败了，搜寻任务仍可能会获得圆满地成功。由于空气动力学模型无法平衡昆虫机器人的飞行，因此设计一个类昆虫机器人远比缩小一个飞机模型要复杂
4、得多。 1 9 9 9 年， 当时在伯克利加利福尼亚大学、 现本 文 作 者 罗 伯 特伍 德（ R OB E R TWOOD ） 系哈佛大学电气工程系助理教授和哈佛微型机器人实验室首席调研员，其工作涉及调查其他节肢动物并研制有灵感的机器人。微型苍蝇机器人模型 ： 翼展为 3 厘米， 重量为 6 0 毫克， 不包括电池和传感器世界科学 2 0 0 8 . 69世界科学 2 0 0 8 . 6未 来 科 学在加州理工学院的生物学家迈克尔 迪金森（M i c h a e l D i c k i n s o n ） 仿制了 2 5 厘米长的苍蝇翅膀， 通过将翅膀浸没在装有矿物油的缸体中模拟空气粘度的
5、实验，首次论证了昆虫在不同气流模式飞行中的空气动力学基本原理。结果显示，昆虫通过三对不同翅膀的运动方式控制空气旋涡，以产生所需的升降效果。利用迪金森的分析结果， 我和费林实验室的同事们开始模仿昆虫翅膀的运动。主要的挑战在于， 昆虫的飞行涉及许多系统， 包括适应感知运动的视觉系统， 以及在不稳定的空气动力学中拓展肌肉大多数昆虫通过胸部微小的肌肉调整振翅的振幅、仰角等来控制平衡。苍蝇甚至具有 “平衡棒” 的特殊感知器官， 可以在飞行时感知身体转动。这些特点是苍蝇具有诸如盘旋、倒立飞行和附着在墙壁或天花板上等超凡能力的关键。设计微型机器人的主要目的在于它们可以到达人类无法企及的区域，如战场上难以暴露
6、的位置。今天， 主要是军方在使用这种机器人，每个造价要 1 0万美元，成本昂贵。如何使机器人应用于执法和应急救援领域并最终达到低廉的成本，这就需要一个全新的方法；如果当我们所设想的机器人可以用不到 1 0美元替换的话，那么其耐久性也就不再那么重要了。双翅目昆虫苍蝇是地球上最好的飞行家， 其体形娇小但精力充沛， 足以应付生存的挑战。苍蝇以超过 1 0 0赫兹的频率通过复杂的三维轨迹振翅，实现其惊人的机动性。在盘旋时， 苍蝇的上下振翅方式基本对称； 而在前行或移动时，其方式极不对称。而苍蝇通过间接飞行肌产生的那些大振幅、 高频率的振翅，缘自它们胸部部分变形而不是翅膀，以引起体内机械共振。规模较小的
7、肌肉则直接连接翅膀枢纽，以调整翅膀的动作。由于体形过小，围绕苍蝇的气流粘性要比鸟类或固定翼飞机多。对于昆虫来说， 飞行过程有点像 “点水” ， 如苍蝇的翅膀运动在几分之一秒内可以大幅值地改变空气动力。相形之下， 固定翼飞机所受到的是相当稳定的流体动力。由于这种差异， 用于预测飞机的飞行动力学模型在预测昆虫的飞行方面毫无帮助，这就使得我们的工作变得更加困难。在历经数以百计的试验后，我们借用了翅膀与身体的面积比和振翅频率这两条生物学原理，使苍蝇机器人越来越接近其真实的形态。同时， 我们没有盲目地对机电设备无法实现的无脊椎生物进行复制缩放如昆虫胸部和翅膀的弹性其结构属性就是一个很好的例子。对于这些身
8、体部件，我们采用了一种弱于碳纤维硬度的多糖物质甲壳素制成。目前，我们研制的苍蝇机器人已拥有和真实苍蝇一样的初级飞行机械部件： 机身 （外骨骼） 、 执行机构 （飞行肌） 、 传送机构 （胸）和机翼（翅膀） 上图 。每个机构看似很简单，但机身必须为执行机构和传送机构提供一个坚实的平台传送机构传输给机翼运动所需的动力，机翼在保持足够刚性的同时，便于在完全不同的空气动力条件下形状保持不变。考虑到部分机械设备的收缩效应会影响昆虫机器人的运动动力学，在类昆虫机器人的设计中应该纳入微观物理学。因为尺寸的减小会增加其受力面积，继而摩擦增大，最终降低轴承的工作效率。显然， 设计微型机器人并不意味着我们知道如何
9、制造它们，包括部件的制造标准远低于标准制造工艺。为此， 我们必须在研制微机电系统上花费大量精力。可喜的是研制有了新的进展，我们在激光微细加工技术和超薄材料的基础之上，通过碾压获得一定刚度的碳纤维增强复合材料。凭借这些技术， 我们可以在不到一个星期的时间内制作出苍蝇原型。为了便于连接， 我们在两块碳纤维板材间留有缝隙，并在其间嵌入一层薄膜聚合物，保证了在反复弯曲后仍然不失韧性。4机翼执行机构机身翼展传送机构世界科学 2 0 0 8 . 61 0世界科学 2 0 0 8 . 6未 来 科 学类昆虫机器人研究已达到完全自主的全新里程碑，而公众也越来越关注它们。去年 1 0月， 华盛顿特区的示威者们声
10、称他们看到了模样怪异、比真人大些的蜻蜓在空中盘旋。它们是真实的飞行机器人？ 也许还不是， 但引发了人们对于间谍活动的思考。 事实上， 类昆虫机器人可以扮演完美的间谍角色， 同时还有其他有益的用途。 成群的小型高灵敏机器人可以进行各种探索， 如探索行星， 穿越危险地带，监测交通等。何况， 它们还会是很好的玩具！个一组为单位连接成的刚性碳纤维构成了微型传送机构（不同的长度决定传送机构的不同作用） ，可以产生一系列小角度的运动变化。为了使执行机构模拟真实的飞行肌肉，我们在碳纤维复合层内加入一种可以在电场作用下改变自身形状的电活性物质。我们首要的考虑，是在保持足够强度的前提下尽量将机器人设计得小而轻巧
11、。通常， 机器人执行机构的功率密度要求达到 4 0 0 瓦 / 公斤，是普通苍蝇翅膀肌肉的 4倍。我们的第二个突破是，使用四连杆将执行机构的运动等效为翅膀运动。令我们满意地是， 在设计完传送机构时，我们发现它的机械结构与双翅目苍蝇驱动翅膀运动的胸部结构十分相似。我们的最新版本重 6 0毫克、相当于某种双翅目苍蝇的昆虫机器人，可产生近两倍于自身重量的推力。那几乎就等同于一次真正的飞行， 通常能承受 3 5 倍的升力。 我们当前的目标是让苍蝇盘旋，以考察其在特定环境下的机动性。仍然是一个挑战要达到稳定、 自由地飞行， 需要缩小并安装 3 个装置： 传感器、控制器和电源。目前， 一些实验室和公司共同
12、在开发一套灵感来自于生物知觉的系统，即可以控制机器人自身飞行姿态和简单动作的传感器。我的前任导师费林受其启发，在伯克利加利福尼亚大学微型系统仿生实验室发明了能够探测视野的陀螺仪和传感器。在华盛顿特区的 C e n t e y e ，已经研制出重量小于 1克的视觉传感器， 以协助飞行机器人导航。苍蝇可以实现所谓 “眼跳” 的跳跃飞行，因为它有一个迅速反应的神经系统。在苍蝇体内， 神经冲动无须通过中枢神经系统， 而是直接由内部反馈传感器控制飞行肌。我们目前正在研究可行的办法来效仿这一系统，即让一些姿态传感器来辨别方向并直接控制执行机构。而如何将电源放置在机器人上是我们面临的又一挑战。安装在苍蝇机器
13、人上的电池虽然体积极小， 但所需的能量密度很高， 当今最好的缩小版锂电池重约 5 0毫克， 占飞行机器人重量的一半，可以飞行 5 1 0分钟。为了延长飞行时间，我们不得不增加电池的能量密度，可能在机器人背部安装微型太阳能电池板或将机器人机翼的振动转换成电能。现在，我们已把注意力转向低功耗和分散控制算法上。其次，开始考虑借助大自然的力量。令人惊叹地是，自然界中的昆虫在完成某项任务的过程中，仅仅使用了简单的法则和最小限度的沟通，比如白蚁能搭建一个超出其自身体积数百万倍的结构。为此我们相信，研究和模仿昆虫的行为， 可以帮助我们改进算法， 我们的机器人最终可以被用来作为工具，由成群的简单机器人去完成复杂的任务。尽管是一些基本的控制算法，我们仍然期待微型机器人作为一个特定的移动传感器网络，能扮演和履行各种各样的角色，包括搜索与救援、危险环境中的监测、完成侦察任务乃至行星探测等。我们预测： 在微型机器人机翼上安装智能传感器不再是一个遥远的梦，一个完全自主的昆虫机器人 5年内将在实验室条件下飞翔。届时， 人们将看到这些机器人在我们的日常生活中出现。世界科学 2 0 0 8 . 61 1
