得益於高效的控制器，這個昆蟲大小的機器人可以在短短幾秒鐘內完成急轉彎和多次空翻。圖片來源：《科學進展》
本報訊空中的昆蟲堪稱地球上最靈活的生物，能精准完成急轉彎、急刹車和空中翻轉。長期以來，工程師一直致力於賦予同尺寸飛行機器人或無人機類似的敏捷性。如今，美國麻省理工學院（MIT）的科學家朝這一目標邁出了重要一步。他們研發的微型有翼機器人的速度與特技表現均超越所有前代機型，甚至逼近真正昆蟲的敏捷度。12月3日，相關研究發表於《科學進展》。
美國內華達大學裏諾分校的航空航太工程師Hoang-VuPhan指出，這款新設備標誌著“微型機器人效能的巨大飛躍”。“這項成果使該領域更接近真正自主的昆蟲尺寸飛行機器人，能够執行現實世界的任務。”
儘管近年來無人機等飛行器日益精密，但將其縮小至昆蟲大小卻异常棘手。“所有部件都需從零開始設計。”論文作者、MIT的工程物理學家陳宇峰（音）指出。微型電機效率會隨尺寸縮小而降低，即使是微弱氣流擾動，也會對撲翼和纖細關節造成負擔——為減輕重量，這些部件通常設計得纖薄而精緻。昆蟲能毫髮無損地撞擊玻璃窗並抵禦強風，但微型飛行機器人卻沒這麼耐用，這是因為合成材料根本無法與真正昆蟲身體的韌性相媲美。
陳宇峰團隊在先前項目中已攻克許多硬體難題，成功研製出重量僅750毫克的耐用飛行器，單次續航可達1000秒。但它的控制器，即指導機器人行動的電子“大腦”，卻帶來了一個新難題。為實現空中加速、轉向和翻轉，飛行的微型機器人必須持續適應氣流與摩擦力的微小變化，這需要一個能够處理不確定性的高效控制器。
論文作者、MIT天體物理學家兼航空工程師JonathanHow通過設計管狀模型預測控制器（MPC）解决了這一難題。How解釋說，管狀MPC在機器人的中心軌跡周圍創造了一個管狀的緩衝區，確保機器人不會因任何干擾撞到危險的區域。
How補充道，該控制器真正的“核心技術”在於融入了一個神經網路——一種類比真實果蠅中樞神經系統的電腦軟體或算灋。這種程式設計使控制器能快速規劃最優路徑，讓機器人在空中“以一種不會自毀的管道”進行旋轉。
最終的設備直徑僅4釐米，重量比一個迴紋針還輕，飛行速度幾乎是現有微型機器人的5倍，加速能力則提高了兩倍。它還可以在每秒160釐米的陣風下急轉彎，令人印象最深刻的是，這個機器人可以在11秒內連續完成10次空翻。正如Phan所指出的那樣，該機器人展示了“以前只能在真實昆蟲身上觀察到的速度、敏捷性和魯棒性”。
不過，該機器人仍存在若干局限。加拿大多倫多大學機器人學家PakpongChirarattananon坦言：“最突出的問題是連接線束的束縛。”他解釋道，由於昆蟲尺寸的電池很快會耗盡，設備必須連接外部電源，這限制了活動範圍。
繩子是一個長期的障礙，此外陳宇峰和How還希望設計出足够小的監視器和其他感測器，可以安裝在機器人上，這可能會使它在蒐索和救援任務中具有價值。“如果發生地震，”陳宇峰解釋說，“我們可以把這些微型機器人送到裂縫裏。”
昆蟲大小的飛行機器人也被視為輔助授粉的工具，但How認為，讓機器人降落在嬌嫩的花朵上可能過於冒險。他說：“我們很想這麼做，但這超出了當前的科技水准。”