每秒扇翅500次，重量僅0.6克，碰撞翻滾後也能立即復飛，這可不是某種昆蟲，而是真真正正的人造無人機。
其大小好比一隻大黃蜂，外觀就像長着翅膀的磁帶盒，身體主要由四部分組成：機身、傳動裝置、機翼鉸鏈和機翼。
靈感來源於經常蟄我們的蚊子：如果蚊子趴在臉上，哪怕迅速拍它，它也有可能溜走，並能迅速飛回臉旁繼續「嗡嗡嗡」，這固然令人討厭，但也說明蚊子等小昆蟲擁有極高的飛行彈性。再比如，一隻果蠅倒立在天花板上時，40毫秒內即可翻轉過來。
昆蟲的這些功能看似「不起眼」，但一直都難以在人造飛行機械人中實現，而前文的「昆蟲無人機」，正是由麻省理工學院（MIT）電氣工程與計算機科學系助理教授 Kevin Chen研發出來的帶有「昆蟲功能」的人造飛行機械人。
相關論文已於近日發表在 IEEE Transactions on Robotics雜誌上，論文標題為《昆蟲大小高靈敏、抗碰撞的彈性飛行器》（Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility）。
談及研究初衷，Kevin Chen表示很多無人機都非常大，且多數用於戶外飛行。但是幾乎沒有可在複雜、混亂空間中飛行的昆蟲大小的無人機。
他說，「昆蟲無人機」的構造，完全不同於大型無人機，後者通常由電動機提供動力，把這種電動機縮小後並用在「昆蟲無人機」中，其效率反而會降低，因此要給「昆蟲無人機」尋找電動機的替代品。
起飛中的「昆蟲無人機」
此前的主要替代方案，是採用由壓電陶瓷材料製成的小型剛性執行器，但這種執行器非常脆弱，如果把它用於「昆蟲無人機」，很難承受大約一秒一次的碰撞。為此，他們研發出一種新型彈性介電體驅動器。
「昆蟲無人機」的「心臟」：新型彈性介電體驅動器
據悉，Kevin Chen通過使用軟驅動器，設計出一種彈性更好的新型彈性介電體驅動器，這種驅動器由薄橡膠圓柱體製成，圓柱體上包裹着碳納米管。
當給碳納米管輸送電壓時，靜電壓力就會產生，進而會擠壓和拉長橡膠圓柱體，這種反覆的擠壓和拉長，可讓「昆蟲無人機」的翅膀快速扇動。
概括來說，驅動器是提升無人機性能的關鍵。在驅動器中，彈性體片材的長度、寬度和厚度分別為8毫米、50毫米和210微米。在彈性體被捲成圓筒後，碳纖維帽被連接到兩端，並能同時連接電氣和機械。
製作過程中，該團隊通過降低接觸電阻、來提高電阻生產效率。總之，這種新的驅動器可在更高電壓和更高頻率條件下驅動，並且在共振和自由位移測試中表現更好。
最終設計出的驅動器，可讓翅膀每秒鐘拍動500次，無人機藉此擁有真正類似昆蟲的靈活性。
在飛行時，如果你用手擊中它，它也能像拍不死的蚊子一樣，可在0.16秒內恢復飛行，此外還能進行空中翻騰等動作。
據悉，相比該團隊之前的工作，本次設計的新型驅驅動器，其輸出功率的密度相比以前提高了100%，換能效率提高560%。
概括來說，驅動器好比「昆蟲無人機」的「心臟」，搞定「心臟」後，他們開始設計無人機的其他「器官」。
基於新的數據分析，他們重新設計了無人機的變速器、機翼鉸鏈和機翼等，其中機翼的骨架材料是碳纖維，翅膀是聚酯纖維，看起來有蟬翼般的逼真感。
圖示位置為驅動器
最終誕生的「昆蟲無人機」，除可以進行懸停飛行以外，還擁有70厘米/秒的上升速度。據該團隊介紹，這一速度使得該無人機成為目前最快的軟移動機械人之一。
此外，該無人機的升力重量比為2.2:1，這意味着它可攜帶約等於其重量的有效載荷。
經初步測試和計算，使用現成的鋰聚合物電池（LiPo），可讓無人機大約飛行10–30秒，其中無人機下面的合金線，主要用於供電。任智健告訴 DeepTech：「目前還是通過控制器輸出信號，經過電壓放大器增壓之後給無人機供電。我們的下一步計劃就是讓無人機攜帶電池『更加自由』地飛行。」
「昆蟲無人機」的設計：遇到碰撞依舊能「活下來」
比起此前工作，本次機械人的傳輸長度從400微米增加到500微米，鉸鏈尺寸分別調整為2.05毫米和0.10毫米。
其中，鉸鏈由12.7微米厚的聚酰亞胺薄膜製成。新的驅動器、機械人變速箱和機翼鉸鏈「強強聯合」，相比此前工作，該無人機的淨升力提高83%。
他們還進一步改進了機翼設計，從而讓無人機可在更大氣動載荷下工作，並能在遇到碰撞時「活下來」。
在提高機翼剛度上，該團隊使用了一種新型碳纖維。他們還對翼根位置進行了修改，飛機內梁由曲線設計、變為直線設計，這樣可提高機翼的碰撞魯棒性。
另外，機翼的前緣翼梁和對角翼梁，都與碳纖維的方向對齊，這樣可增加機翼的剛度，從而幫助無人機在遇到碰撞時可以恢復飛行、以及做出空翻等動作。
在飛行展示中，他們還發現該無人機可實現可控的懸停飛行，如下圖，這是無人機在飛行中出現10秒懸停的圖像序列。
在這次10秒的懸停飛行中，高度誤差小於0.5厘米，xy平面的漂移小於4厘米。
在懸停飛行期間，驅動器的輸入電壓幅度在懸停條件下緩慢變化，電壓上下浮動為20V。相反，在機身快速翻轉過程中，驅動器的電壓幅度在2-3次拍打翅膀（60毫秒）時，將從近2000V下降到200V以下。
大幅的電壓變化，會給驅動器帶來極大的瞬時應變，但由於驅動器由彈性體製成，因此承受力比剛性驅動器更強。
為展示無人機的敏捷性，他們還進行了受控上升飛行，擬合結果表明，無人機的上升速度達到70厘米每秒，相比他們之前的工作，其最大上升速度提高了兩倍以上。
除了演示懸停和上升飛行，該無人機還可通過反饋控制，從飛行中的碰撞中恢復。下圖 a–c顯示了第一次碰撞恢復演示，演示中他們將無人機向下推，但這種擾動對其影響可以忽略不計。
無人機被擊中後，機身高度降低4厘米，然後它逐漸回到懸停設定點。這說明，在飛行干擾中，「昆蟲無人機」有足夠的控制能力和恢復能力。
期間，為驗證無人機的空翻能力，他們做了五次實驗。
據悉，空翻演示需要驅動器來處理輸入信號的巨量瞬時變化。
談及應用，任智健表示：「它基本可用於目前所有無人機的應用場景，在搜救和探索上，可進入更加狹小封閉的空間。其他應用領域還有野生自然環境的考察、農作物授粉等。受益於仿生和微型的優勢，這款無人機基本不會干擾到野生動物。」
他補充稱：「最近的毅力號火星車上搭載了最新的無人機，由於大氣稀薄，必須增加成倍的轉速才能起飛運作。而我們此次設計的軟體介電驅動器，在高頻運動上比傳統電機更有優勢，同時在低重力環境下，也不影響無人機的飛行。」
