导读

最近，国际顶级机器人期刊《IEEE Transactions on Robotics》发布了一项由MIT助理教授YuFeng Chen、哈佛大学博士生Siyi Xu以及香港城市大学副教授Pakpong Chirarattananon合作的研究成果。这项研究聚焦于一种名为“昆虫级软驱无人机”的创新技术，这种无人机不仅能在空中悬停和快速爬升，还能完成空中翻腾，并且在飞行过程中能够抵御外部碰撞。

通常情况下，无人机需要较大的空间来飞行，因为它们难以在狭小的空间内快速导航，也不容易在遭受撞击后保持稳定。现有的无人机大多体积较大，需要足够的空间才能进行飞行操作。因此，如何设计一种体型较小、能在复杂环境中稳定飞行的无人机，成为了一个亟待解决的问题。

飞行类昆虫凭借其小巧的身躯和灵活的飞行能力，成为了近年来仿生无人机研究的重点。这类昆虫可以在复杂的自然环境中自如地改变飞行轨迹，轻松完成各种高难度动作，例如空中翻腾、快速避障和在受到撞击后迅速调整飞行姿态。

受此启发，YuFeng Chen教授研发出一种新型介电软体驱动器，用于驱动重量仅为0.6克的昆虫级软驱无人机。这种驱动器主要由薄橡胶圆筒和碳纳米管组成，通过碳纳米管通电产生的静电力不断压缩和拉伸橡胶圆筒，从而实现类似飞行昆虫扑腾翅膀的动作，每秒扇动频率可达500次。

实验结果显示，该介电软体驱动器拥有高能量密度（1.2 kW/kg）和高传输效率（37%）。这种昆虫级无人机的推力重量比高达2.2:1，上升速度可达70厘米/秒。

研究人员通过采用新型介电材料（Elastosil P7670）和降低电阻，成功将驱动器的能量密度提升了近一倍，传输效率提高了560%。此外，这种昆虫级无人机在动态实验中表现优异，不仅能实现空中悬停，还能从静止状态迅速爬升。

更为重要的是，研究人员还进行了严格的碰撞测试，发现这种无人机在遭遇撞击后仍能迅速恢复稳定飞行状态，展示了强大的抗撞击性能。最令人印象深刻的是，新研发的昆虫级无人机不仅能完成翻腾动作，还能在翻腾后继续保持稳定的飞行姿态。

康奈尔大学助理教授Farrell Helbling对此表示赞赏，认为厘米级无人机的成功研发是一项重大突破。由于其柔软的设计，无人机无需特殊设计就能在充满障碍物的复杂环境中自由飞行。这一特性对于需要在混乱和动态环境中工作的无人机来说至关重要。不过他也指出，目前这类无人机仍依赖高压电线供电，未来还需要解决无线能量传输的问题。

YuFeng Chen教授表示，他希望未来的无人机能够在农业授粉、自然灾害救援等方面发挥重要作用。

这项研究主要由Kevin Chen及其学生任智健、哈佛大学博士生Siyi Xu以及香港城市大学副教授Pakpong Chirarattananon等人共同完成。

YuFeng Chen教授于2012年获得康奈尔大学应用工程物理学士学位，2017年获得哈佛大学工程学博士学位，导师为Robert J. Wood教授。目前他是MIT电子工程与计算机科学系的助理教授，专注于设计高鲁棒性的软体驱动器，以实现厘米级机器人在空气、海洋及水下的运动。