小小的昆蟲(chóng)在空中飛行后，如何安全地降落在各種地形和表面上？這個(gè)每天都在自然界上演的"普通"場(chǎng)景，實(shí)際上是一項(xiàng)精妙的工程杰作。而讓機(jī)器人復(fù)制這種能力，更是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

日前，來(lái)自哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最近在機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Science Robotics》上發(fā)表了一項(xiàng)重要突破，他們?yōu)橹奈⑿惋w行機(jī)器人"哈佛機(jī)器蜂"(Harvard RoboBee)設(shè)計(jì)了一套全新的著陸系統(tǒng)，讓這個(gè)僅重100毫克的微型飛行器能夠像真正的昆蟲(chóng)一樣，安全、精準(zhǔn)地著陸在各種表面上——甚至包括植物葉子這樣的自然地形。

這項(xiàng)研究融合了機(jī)械設(shè)計(jì)和控制算法，從蚊子和大蚊子(crane fly)等昆蟲(chóng)的著陸行為中汲取靈感，為解決微型飛行器面臨的著陸挑戰(zhàn)提供了新思路。

▍為何微型飛行器的著陸如此困難？

當(dāng)談到微型飛行器的著陸難題時(shí)，最大的挑戰(zhàn)來(lái)自兩個(gè)方面：地面效應(yīng)和碰撞能量。

地面效應(yīng)是指飛行器靠近地面時(shí)，翅膀產(chǎn)生的氣流與地面相互作用，導(dǎo)致升力增強(qiáng)的現(xiàn)象。這在大型飛機(jī)上是眾所周知的效應(yīng)，但在微型拍翅機(jī)上的作用機(jī)制卻復(fù)雜得多。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列懸停實(shí)驗(yàn)，首次定量測(cè)量了微型拍翅機(jī)的地面效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RoboBee懸停在靠近地面的位置時(shí)，其所需的推力會(huì)明顯減小——這就是地面效應(yīng)提供的額外升力。

通過(guò)分析，研究人員將地面效應(yīng)劃分為三個(gè)區(qū)域：

• 強(qiáng)地面效應(yīng)區(qū)：地面效應(yīng)比超過(guò)7%
• 弱地面效應(yīng)區(qū)：地面效應(yīng)比在4%-7%之間
• 最弱地面效應(yīng)區(qū)：地面效應(yīng)比低于4%
  

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)著陸系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)樵趶?qiáng)地面效應(yīng)區(qū)域，機(jī)器人的飛行穩(wěn)定性會(huì)受到顯著干擾。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是碰撞能量。當(dāng)微型飛行器接觸地面時(shí)，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)哪芰课諜C(jī)制，碰撞產(chǎn)生的沖擊力會(huì)傳遞到機(jī)身，可能導(dǎo)致脆弱的壓電驅(qū)動(dòng)器和薄翼?yè)p壞。尤其當(dāng)翅膀在碰撞時(shí)仍在拍打，傳遞到執(zhí)行器的力可能會(huì)翻倍，極大增加故障風(fēng)險(xiǎn)。

▍仿生腿設(shè)計(jì)：向大蚊子學(xué)習(xí)

為了解決上述難題，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了大蚊子——這種昆蟲(chóng)的體型與RoboBee相似，而其長(zhǎng)腿在著陸時(shí)可以起到減震器的作用。

之前RoboBee的"腿"只是四根碳纖維棒，主要目的是讓機(jī)器人能夠直立站立。而新設(shè)計(jì)的仿生腿則考慮了多個(gè)關(guān)鍵因素：

1、腿部高度：設(shè)計(jì)20毫米高的腿，使機(jī)器人的壓力中心位于弱地面效應(yīng)區(qū)域內(nèi)，減少地面效應(yīng)帶來(lái)的干擾

2、腿部姿態(tài)：測(cè)試了30°、45°和60°三種不同的腿部夾角，尋找最佳支撐多邊形

3、關(guān)節(jié)數(shù)量：設(shè)計(jì)了單關(guān)節(jié)和雙關(guān)節(jié)兩種方案

4、關(guān)節(jié)位置：通過(guò)測(cè)量27種不同大蚊子標(biāo)本，確定了脛節(jié)和跗節(jié)的最佳比例，大多數(shù)大蚊子的跗節(jié)占比在55%-60%之間

最關(guān)鍵的創(chuàng)新是關(guān)節(jié)材料的選擇。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種特殊的復(fù)合關(guān)節(jié)，由以下材料層疊而成：

• 柔性聚酰亞胺(Kapton)薄膜作為彈簧元件
• 粘彈性熱塑性彈性體(TPE)作為阻尼元件
• 碳纖維復(fù)合板提供結(jié)構(gòu)支撐

這種設(shè)計(jì)使關(guān)節(jié)既能支撐機(jī)器人的重量，又能在碰撞時(shí)吸收能量，實(shí)現(xiàn)安全著陸。

為了評(píng)估不同腿部設(shè)計(jì)的性能，研究人員定義了三個(gè)量化指標(biāo)：

1、恢復(fù)系數(shù)(CoR)：衡量碰撞前后速度比值，數(shù)值越低表示能量吸收越多

2、水平漂移(Δx)：衡量著陸精度，值越小表示著陸位置越準(zhǔn)確

3、著陸成功率(e)：機(jī)器人能否成功直立著陸

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)最終選擇了雙關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，其中跗節(jié)占比為60%。這一設(shè)計(jì)在能量吸收和著陸精度之間取得了最佳平衡。

▍仿生控制策略：從水果蠅學(xué)習(xí)τ理論

安全著陸不僅需要良好的機(jī)械設(shè)計(jì)，還需要精確的控制策略。這里，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了昆蟲(chóng)學(xué)研究中的τ理論。

τ理論是描述飛行昆蟲(chóng)如何控制著陸的一個(gè)模型，其中τ被定義為目標(biāo)距離與接近速度的比值。研究表明，許多昆蟲(chóng)通過(guò)保持恒定的τ變化率來(lái)實(shí)現(xiàn)安全著陸。

不過(guò)，τ理論通常適用于已經(jīng)有初始速度朝向目標(biāo)的情況，而從懸停開(kāi)始的著陸需要先加速再減速，這更加復(fù)雜。研究人員擴(kuò)展了τ理論，通過(guò)分析γ(收斂率)的二階導(dǎo)數(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的著陸軌跡。

他們提出的著陸序列包括三個(gè)階段：

1、在弱地面效應(yīng)區(qū)域上邊界懸停

2、遵循τ理論啟發(fā)的軌跡，先加速然后減速靠近地面

3、當(dāng)接近弱地面效應(yīng)區(qū)域下邊界時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力，讓仿生腿吸收剩余動(dòng)能

為了應(yīng)對(duì)地面效應(yīng)帶來(lái)的干擾，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)控制器，能夠補(bǔ)償模型不確定性和外部擾動(dòng)，顯著提高了懸停精度。

通過(guò)控制參數(shù)α，可以調(diào)節(jié)著陸的激進(jìn)程度，影響最大下降速度(從0.5米/秒到1.8米/秒)和減速度(從0.2到2.0米/平方秒)。

最終的測(cè)試不僅包括在平滑表面上的垂直著陸，還包括從一片綠蘿葉子飛到另一片葉子的自然環(huán)境測(cè)試。即使在葉面傾斜的情況下，RoboBee也能利用柔性腿部適應(yīng)表面，成功穩(wěn)定著陸。

在最具挑戰(zhàn)性的測(cè)試中，機(jī)器人以1.9米/秒的速度撞擊地面，腿部關(guān)節(jié)彎曲吸收沖擊，機(jī)器人安全著陸，沒(méi)有彈跳，充分展示了仿生腿設(shè)計(jì)的有效性。

▍結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)研究不僅解決了微型飛行機(jī)器人的著陸難題，還展示了仿生學(xué)如何為工程挑戰(zhàn)提供解決方案。通過(guò)結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)和控制策略，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)更加魯棒、適應(yīng)性更強(qiáng)的系統(tǒng)。

值得注意的是，這種方法也為生物學(xué)研究提供了新工具。RoboBee的模塊化組件(可拆卸的腿、翅膀、機(jī)身和執(zhí)行器)使其成為研究昆蟲(chóng)飛行的理想平臺(tái)。研究人員可以通過(guò)改變不同參數(shù)，探索更多與昆蟲(chóng)飛行相關(guān)的問(wèn)題。

盡管取得了顯著進(jìn)展，但仍有多個(gè)方向值得進(jìn)一步探索：如何在不平整表面上著陸、如何應(yīng)對(duì)更高的碰撞速度、如何將這些方法擴(kuò)展到更大的飛行器，以及如何通過(guò)集成傳感器實(shí)現(xiàn)完全自主著陸。

無(wú)論如何，這項(xiàng)研究為微型飛行機(jī)器人的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑，讓它們能夠在不損壞自身和環(huán)境的情況下，探索更多復(fù)雜和精細(xì)的自然環(huán)境。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adq3059