受瓢蟲『自我扶正』啟發 科學家研制可『鯉魚打挺』的微型飛行器

固定翼微型飛行器

大自然永遠是人類最好的老師。

自然界中，為適應生存環境，各類昆蟲具備很多高明且巧妙的“自保本領”，瓢蟲就是其一。當瓢蟲失去平衡或受困翻倒時，瓢蟲可通過自身堅硬的鞘翅在一秒內實現自我扶正。

受瓢蟲這種強大自我扶正能力的啟發，近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）智能系統實驗室的 查蘭博斯·沃特西斯與其團隊研發了一款通過在微型飛行器上安裝類似于瓢蟲“鞘翅”、來實現自主扶正的固定翼微型飛行器。

瓢蟲極強的自我糾正能力

沃特西斯表示，為躲避天敵和更好地適應環境，瓢蟲進化出更適宜生存的身體機能，而這些機能正是現代機器人技術的靈感來源。

事實證明，研究團隊從中受益匪淺，其通過仿真實驗發現，人工鞘翅不單有助于飛行器在危境姿態中能實現自主扶正，還能加強微型飛行器的空氣動力學性能，相關研究論文發表在IEEE Robotics and Automation Letters期刊上。

據研究團隊介紹，鞘翅不僅為瓢蟲提供自我扶正能力，還在飛行中為其提供輔助升力。而當固定翼微型飛行器安裝人工鞘翅后，同樣可以使因鞘翅所增加的重量與額外升力相互抵消。

對此，沃特西斯解釋道：“通過實驗，我們發現人工鞘翅在飛行中不僅提供了額外的升力，還可以幫助它減少飛行器結構重量帶來的不利影響?！?/p>

固定翼微型飛行器自主扶正只需1.1秒

固定翼微型飛行器的鞘翅由高強度、高韌性的丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）3D打印成型，并用凱夫拉新型合成纖維加固，以增加其彈性，并通過伺服系統控制鞘翅來實現翻轉平移等動作。

在模擬實驗中，研究團隊通過11厘米、14 厘米、17 厘米3 種不同長度的鞘翅和0.31N·m、0.39N·m兩種扭矩進行模擬自動扶正測試。實驗發現，兩種不同扭矩提供的功率幾乎對飛行器性能沒有任何影響，但是鞘翅的尺寸卻對飛行器有著明顯影響。

另外，研究團隊還針對不同尺寸的鞘翅進行了飛行器空氣動力學研究。結果表明，更大尺寸的鞘翅并不會對空氣動力學效率帶來性能上的減弱。換句話說，更大尺寸的鞘翅并不影響飛行器的空氣動力學性能。此外，更大的鞘翅相比較小的翅鞘具備更快的自主扶正能力。

因此，研究團隊最后選擇了17厘米的鞘翅。

在微型無人機領域的應用中，由于飛行器可能需要在極其惡劣的環境中進行任務，因此研究團隊在人行道、粗沙、細沙、碎石路、貝殼、木屑和草地七種不同的環境中進行了測試驗證。

其中，草地和細沙地的成功率僅有30%左右，但是其他五種地形都能到達100%的成功率。

此外，研究團隊還在10度、20度、30度等的斜坡上進行扶正測試，他們發現，當這種固定翼微型飛行器在30度斜坡時，也能成功自我扶正，不過超過30度的斜坡則會出現打滑的情況。

固定翼微型飛行器結構

瓢蟲鞘翅與飛行器鞘翅對比

以往的飛行器為防止翻倒只是增加重量和降低動力，但當給微型飛行器一對鞘翅后，其鞘翅負責“翻身”和提供上升動力，后翅則主要負責飛行。如此不僅能改善飛行器的上升性能提升，還能降低設計難度。

沃特西斯表示：“我們目前正在研究鞘翅無人機在穿越灌木、石林和其他障礙物時是否可以折疊翅膀。希望未來當無人機視野開拓并需要遠距離飛行時可張開翅膀，而當飛行器遇到狹窄地形時，能以緊湊的形式安全移動或者降落?！?/p>

接下來，研究團隊將繼續優化這個固定翼微型飛行器，他們希望可以為這個飛行器定制一個“保護殼”，以便保護機翼在剮蹭時不受損傷。