4.21克机器人是如何飞行的

从几百吨的飞机到几千克的无人机，人们普遍认为越轻的东西越容易飞起来。然而，当飞行器重量低于10克时，其飞行时间通常不超过10分钟。微型机器人的飞行时间和动力问题一直是研究人员面临的挑战。

5月8日，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授闫晓军团队的研究成果发表在《自然》子刊上。该团队发明了一种适用于昆虫机器人的微型动力系统，并在此基础上研制出一种快速机动、高载重、无线可控的微型机器昆虫。

两个月后，团队的另一项关于微型飞行器的研究成果，于7月18日在线发表于《自然》杂志主刊，并同时获得《自然》和《科学》杂志的首页推荐。

这个重量仅为4.21克的小型飞行器，是目前世界上最轻、最小的纯自然光供能微型飞行器，名为静电飞行器“CoulombFly”。

比一张A4纸还轻的飞行器

即使是最小的飞行器也需要发动机提供足够的动力。目前，微型飞行器的发动机通常采用传统的电磁电机。然而，电磁电机在微型化后，转速高、发热大，能量转换效率急剧下降，有时甚至降至10%以下。

微型电磁电机效率下降后，如果采用自然光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求，导致飞行器无法起飞。

北航团队自主研发的静电飞行器，翼展20厘米，重量仅4.21克，整机大小只有巴掌大小，比一张A4纸还要轻。该研究成果大幅增加了微型飞行器的飞行时间，扩展了其应用范围。

与此同时，闫晓军团队研发的另一种微型动力系统，可用于仿生机器“昆虫”。这种昆虫机器人具有快速机动、高载重、无线可控的特点，可用于灾后救援、大型机械装备检修等场景。

无论是昆虫机器人还是微型飞行器，最初的灵感来源于一根细微颤动的细梁。

“在静电场中放置一根细梁，其直径仅为几十微米，这根梁会在静电场中颤动，类似于头发丝的振动，这就是微梁静电颤振现象。我是研究动力的，2009年，在实验室中发现这一现象后，想利用这个现象做些事情。”闫晓军向中青报·中青网记者解释。

从这根颤动的微梁出发，闫晓军迅速联想到“昆虫飞行的原理也是一种振动”。微梁静电颤振现象可能成为微型飞行器的动力和推进的关键，从一根微梁发展成一个能够飞起来的机器人。

闫晓军开始探索将微梁颤振机制应用于微型飞行器或微小型昆虫机器人等领域，他的博士生漆明净和刘志伟先后加入这一研究。漆明净博士毕业后留校任教，继续在闫晓军团队中进行相关研究。在申威和彭谨哲两位博士生的努力下，团队取得了突破性进展。

申威是漆明净的博士生，在北航能源与动力工程学院的实验室里，他向中青报·中青网记者展示了能够起飞的静电电机。在细小的嗡鸣声中，巴掌大小的微型飞行器缓缓升起。

正是基于静电电机原理的微型飞行器，登上了《自然》和《科学》杂志的首页。

从爬行到飞行

北航博士生、团队成员詹文成展示了团队最新的成果。这款拥有黑色外壳的“甲虫”，看上去比一个矿泉水瓶盖还小。在复杂的微缩地形测试中，小巧的昆虫机器人展现了惊人的灵活性和适应性，四条细长的腿灵活摆动，在障碍物间穿梭自如，犹如真正的甲虫。

据詹文成介绍，昆虫机器人体内集成了能源、控制、通信和传感系统，可以通过精密的传感器和智能算法，精准识别并避开障碍，执行探测任务。团队还设计了仿生奔跑步态，使机械甲虫能够根据负载情况自动调节步频和步幅，即使在高负载情况下也能快速爬行。

“承载能力有很大突破，它的自重是0.3克，可以在携带2克重物的情况下，每秒爬行约40厘米。”詹文成说。“目前最复杂的是视觉传感系统，重量约为1.5克。”

这只碳纤维“甲虫”每一个细微动作的背后，凝聚了团队在微机电系统、人工智能算法和仿生学设计上15年的努力。从最初的机理研究，逐步扩展到驱动器研究，再到整机开发。这项研究跨越了力学、电学、控制学和机器人学等多个学科，初期面临设备缺乏和经验不足的挑战。

“这个过程可谓‘筚路蓝缕’。”闫晓军说。

“我们最初设计昆虫机器人，其实是为了让它飞起来。但是目前微型机器人如果使用大容量电池，重量太大无法飞起来；如果使用小容量电池，又无法提供足够的能量使其起飞。因此最终变成了爬行机器人。”闫晓军略显遗憾地表示。

为了使“甲虫”能够飞行，闫晓军和团队成员查阅了大量生物学文献，仔细研究昆虫纪录片，包括蜜蜂、蜻蜓等。他们甚至买来蜜蜂，在实验室中观察其翅膀的振动。

“蜜蜂的主要参数是翅膀振动的最大角度，一般是120度，频率约为200多赫兹。翅膀不仅振动，还会扭动，扭转角度约为45度。”詹文成说。

尽管仿制的翅膀未能实现像蜜蜂翅膀那样的升力，团队仍在微型机器人领域实现了重大突破。

传统微型机器人内部空间有限，无法容纳大容量电池，必须通过外部电源供电，无法自由移动。北航科研团队开发了基于直线式驱动、柔性铰链传动的新型动力系统，“甲虫”摆脱了尾巴一样的电线，充电两分钟后可以自由奔跑10分钟。

在研究路上不断试错

团队并未放弃让昆虫机器人飞起来的梦想。

整个课题组分成几个小组，分别研究不同的技术方案，以寻求最佳的工程解决方案。团队成员、北航副教授刘志伟带领博士生詹文成继续研究昆虫机器人，漆明净则转向了静电电机方向的研究。

“在学校，每个学生可能都会对飞行有所憧憬，但要自己研发出飞行系统真的很难。我们尝试了许多驱动方式，都很难实现。最后我们尝试了静电电机的构建，这种电机不是像微梁那样来回振动，而是旋转式。这样，功率输出就不受限制了。”申威解释。

据介绍，微型飞行器体积小、质量轻、机动性强，可在狭小空间执行拍照、探测和运输等特种任务，在国民经济领域拥有广泛应用前景。

为了解决驱动和续航难题，团队从微型发动机原理出发寻求突破，提出一种新的静电驱动方案，研制出在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并成功试飞了静电飞行器。

“静电电机的概念早在几百年前就有了，但一直没有被充分利用，其理论方向也有些偏差。经过我们的改进和重新构建，提高了其输出功率，从而实现了飞行。”申威说。

据了解，这种新型微型飞行器主要由静电发动机和超轻质高压电源组成，具备0.568瓦的低功耗和30.7克每瓦的高升力优势，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。

尽管在静电电机方向上取得了突破，但闫晓军表示，团队仍不会放弃让“甲虫”飞起来的努力。

“我们还在探索各种技术方案，包括增大振动频率、改变驱动方案等，都不会放弃。”闫晓军提到，自己的导师聂景旭教授怀着“空天报国”的热情投身航空事业，每次提出的方案都非常巧妙，充满智慧。这种执着精神激励着一代代北航人，点燃了他们的科研兴趣。在闫晓军看来，如今团队中的博士生们同样充满热情和执着。

“研制发动机需要一颗热爱的心，坚持试错，直到找到正确的方法。”他说。

中青报·中青网记者 张渺