師承果蠅，能懸浮、傾斜和轉彎，機器人飛行大師來了

如何模仿昆蟲飛行

飛行類昆蟲，比如蜜蜂、蜻蜓和果蠅，都有高超的飛行技術。這些技術往往在逃避天敵或者躲避人類襲擊的時大展身手。近日，荷蘭科學家制作了一個擁有類似機動效能的飛行機器“昆蟲”。儘管體積比昆蟲大多了，它還是幫助人類瞭解了這些自然界的高手是如何飛行的。這項研究發表在了近日的 Science 上。

圖丨這個靈巧的機器人“Delfly Nimble”正在他的創造者 Matej Karasek 面前懸停。（圖源：Henri Werij， 荷蘭代爾夫特理工大學）

很長一段時間，科學家們都認為昆蟲的翅膀的工作原理與飛機翅膀一致。翅膀的上下振動引起上下表面的空氣流動。由於翅膀的斜面結構，下方的氣壓高於上方，產生升力使得身體升空。（這是個簡要解釋，具體的空氣動力學參照伯努利原理，這裡不做贅述。）但在 1990 年前後，動物學家 Charles Ellington 對這一原理進行了測試。他將各種昆蟲放在風洞中試驗，結果表明，傳統理論產生的升力並不足以幫助昆蟲飛行。

Ellington 接下來的研究表明，一種在翅膀前端的穩定渦流可能是昆蟲飛行的真正助力。當渦流形成時，它沿著翅膀向末端螺旋流動，將外界空氣抽出維持飛行。這一理論解釋了昆蟲如何懸空，但是沒有解釋它們如何作出複雜的機動動作，比如快速轉彎。這很可能是由於昆蟲的翅膀能夠輕微旋轉，從而調整渦流，獲得一側的額外升力，最終完成轉向。不過仍有很多謎團等待科學家探索。因此，這個機器昆蟲被製作出來輔助研究。

圖 | DelFly Nimble 機器昆蟲在空中懸停（圖源：Henri Werij， 荷蘭代爾夫特理工大學）

荷蘭代爾夫特理工大學的 Matej Karasek 長久以來一直對飛行昆蟲的敏捷動作著迷，並認為這能夠啟發他製作無尾振翅的機器人。

他說：“這項研究主要困難在於，如何設計翅膀的傳動機構，從而讓機器昆蟲能在身體的三個軸線上獨立運動。”而且這個機構還需要足夠的輕巧，讓機器昆蟲能夠載得動它。果蠅的飛行技術為研究提供了根據。Karasek 將機器人程式設計，模仿前面提到的飛行理論。試驗成功了，DelFlyNimble 飛行機器人由此誕生。這個機器人的翅膀每秒鐘拍動 17 次，在提供升力的同時也能透過輕微調整翅膀運動來控制飛行方向。機器人可以懸停，或向任何方向飛行（上、下、前、後、側向）、傾斜轉彎、 360 度旋轉，還能做筋斗和桶滾特技。這些都是果蠅的飛行技能，儘管這個機器人比果蠅大多了。這個機器人的能量效率也很優秀，能在空中懸停 5 分鐘，或者單程飛行 1 公里。

Karasek 說：“和動物試驗相比，我們對機器人‘大腦’有完全的控制能力。這讓我們能夠發現並記錄一個新的被動空氣動力學機構。這個機構能幫助果蠅在快速側飛時把控方向。”所以，在逃跑動作中，果蠅不需要一個額外的主動反饋機構來控制飛行了。

Karasek 還表示：“這個機器人為我們的昆蟲研究帶來了新的可能，不過它仍然是一種全新的有獨門絕技的飛行機器人。”由於其高效飛行能力和更佳的操縱性，昆蟲仿生無人機在未來可能會比現有的無人機更有前途。而且由於使用現有工藝和元件，DelFly Nimble 機器人制造成本也相對低廉。