每秒扇动翅膀500次，重量仅有0.6克，即使遭受碰撞也能迅速恢复飞行——这不是一种昆虫，而是真正的天然无人机。

这款无人机的大小类似一只大黄蜂，外形像一个长着翅膀的磁带盒，主要由机身、传动装置、机翼铰链和机翼四部分组成。

受到蚊子频繁叮咬的启发：即使你快速拍打，蚊子也可能逃脱并迅速返回，这表明蚊子等小型昆虫具有极高的飞行灵活性。例如，果蝇能够在40毫秒内从天花板上翻转过来。

这些看似不起眼的功能，在人工飞行机器人中却难以实现。而这款“昆虫无人机”是由麻省理工学院（MIT）电气工程与计算机科学系助理教授Kevin Chen研发的，具备昆虫级别的功能。

相关论文已发表在《IEEE机器人学汇刊》上，题为《具有高敏捷性和抗碰撞性的昆虫级弹性飞行器》。

谈到研究的初衷，Kevin Chen指出，大多数无人机体积庞大，主要用于户外飞行。然而，几乎没有任何一款能够在复杂环境中飞行的昆虫大小的无人机。

他表示，“昆虫无人机”的结构与大型无人机截然不同。后者通常依靠电动机提供动力，而将这种电动机缩小到“昆虫无人机”中反而会导致效率下降。因此，需要寻找电动机的替代品。

先前的主要替代方案是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性执行器，但这些执行器非常脆弱，难以承受频繁的碰撞。因此，他们开发出一种新型弹性驱动器。

新型弹性驱动器

Kevin Chen通过使用软驱动器，设计了一种更具弹性的新型驱动器。这种驱动器由薄橡胶圆柱体制成，外部包裹着碳纳米管。

当碳纳米管通电时，静电压力会产生，从而挤压和拉伸橡胶圆柱体，这种反复的挤压和拉伸使“昆虫无人机”的翅膀能够快速振动。

这种驱动器是提升无人机性能的关键。它由长度为8毫米、宽度为50毫米、厚度为210微米的弹性片材制成。在弹性体卷成圆筒后，碳纤维帽连接在两端，同时连接电气和机械部件。

通过降低接触电阻，制造过程提高了效率。最终设计的驱动器能使翅膀每秒振动500次，赋予无人机类似昆虫的灵活性。

在飞行过程中，如果受到手部撞击，它能像蚊子一样在0.16秒内恢复飞行，并能执行空中翻腾等动作。

相比之前的成果，新型驱动器的功率密度提高了100%，转换效率提高了560%。

无人机的设计与性能

这种驱动器相当于“昆虫无人机”的“心脏”。掌握了“心脏”之后，他们开始设计无人机的其他部分。

基于新的数据分析，他们重新设计了无人机的传动装置、机翼铰链和机翼。机翼的骨架由碳纤维制成，翅膀则采用聚酯纤维，使其看起来像蝉翼般逼真。

最终，这款“昆虫无人机”不仅能够悬停飞行，还能以每秒70厘米的速度上升。这使得它成为目前最快的软体移动机器人之一。

此外，该无人机的升力重量比为2.2:1，意味着它可以携带相当于其重量的有效负载。

初步测试显示，使用现成的锂聚合物电池（LiPo），无人机可以飞行10至30秒。无人机下方的合金线主要用于供电。任智健表示，下一步计划是让无人机携带电池，更加自由地飞行。

高度灵活性与抗碰撞性

与之前的工作相比，本次机器人的传动长度增加到500微米，铰链尺寸调整为2.05毫米和0.10毫米。铰链由12.7微米厚的聚酰亚胺薄膜制成。新型驱动器、传动装置和机翼铰链的结合，使无人机的净升力提高了83%。

机翼设计也得到了改进，使无人机能在更大气动载荷下工作，并能在碰撞后恢复飞行。通过采用新型碳纤维和优化翼根位置，无人机的机翼刚度得到了增强，使其能在遇到碰撞时恢复飞行，并能完成空翻等动作。

在飞行展示中，无人机展示了可控的悬停飞行。在10秒的悬停飞行期间，高度误差小于0.5厘米，xy平面的漂移小于4厘米。

此外，无人机的上升速度达到了70厘米每秒，比之前的工作提高了两倍以上。

除了悬停和上升飞行，无人机还能通过反馈控制从飞行中的碰撞中恢复。实验显示，无人机在受到撞击后仍能迅速恢复飞行。

应用前景

任智健表示，这款无人机适用于目前所有无人机的应用场景，如搜救和探索，尤其适合进入狭小封闭的空间。此外，它还可以用于自然环境调查、农作物授粉等领域。由于其仿生和微型化的特点，它不会干扰野生动物。

此外，最近的“毅力号”火星探测器上搭载了最新的无人机，由于火星大气稀薄，需要更高的转速才能正常运行。而这款新型软体介电驱动器在高频运动中表现出色，并且在低重力环境下也不会影响无人机的飞行性能。

研究团队

这项研究主要由Kevin Chen及其学生任智健、哈佛大学在读博士生Siyi Xu和香港城市大学生物医学工程副教授Pakpong Chirarattananon等人共同完成。

Kevin Chen曾在美国哈佛大学微机器人实验室担任Robert J. Wood教授的指导，获得工程科学博士学位。他的研究重点是在海陆空之间移动和转换的昆虫级机器人。此次研究也是他在毕业后与导师再次合作的成果。