美國(guó)研制出新型仿生機(jī)器人——重約93克翼展約47厘米，能像蝙蝠一樣飛翔 “蝙蝠機(jī)器人”能帶人類飛向更遠(yuǎn)嗎

一只能夠自主飛行的蝙蝠機(jī)器人登上了《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》的封面。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，他們模仿蝙蝠的生理結(jié)構(gòu)，用新型材料制造出了這種機(jī)器蝙蝠。它體型較小，重約93克，翼展約47厘米，能夠像蝙蝠一樣飛翔。

事實(shí)上，雖然四軸飛行器在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上大自然“制造”的飛行生物，例如鳥類和蝙蝠。特別是蝙蝠，其飛行機(jī)制，在動(dòng)物中是最復(fù)雜之一，模仿其結(jié)構(gòu)的“蝙蝠機(jī)器人”能夠適應(yīng)普通四軸飛行器無(wú)法施展的特殊環(huán)境，用途廣泛。

值得注意的是，《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》系頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》雜志的子刊，于去年12月創(chuàng)刊。在人工智能如火如荼的今天，雜志對(duì)“蝙蝠機(jī)器人”的報(bào)道，向我們強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人學(xué)的另一大分支——仿生機(jī)器人。

有專家指出，傳統(tǒng)仿生機(jī)器人存在“形似而神不似”的問題。目前，學(xué)界正向著剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)、材料、驅(qū)動(dòng)一體化，神經(jīng)元精細(xì)控制，高效能量轉(zhuǎn)換的類生命系統(tǒng)方向發(fā)展。近年也出現(xiàn)了機(jī)器蒼蠅、機(jī)器蝴蝶等一大批或應(yīng)用前景廣泛、或設(shè)計(jì)概念新穎的仿生機(jī)器人。

亮點(diǎn)：“蝙蝠機(jī)器人”可實(shí)現(xiàn)自主飛行

同樣是飛行生物，蝙蝠的飛行能力比鳥類難以模仿得多：不同于鳥類翅膀由中空骨頭支撐的簡(jiǎn)約結(jié)構(gòu)，作為哺乳動(dòng)物的蝙蝠，其翅膀由堅(jiān)實(shí)的骨頭、關(guān)節(jié)和皮膚組成。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蝙蝠的翅膀極其靈活，擁有超過40個(gè)關(guān)節(jié)，科學(xué)家稱之為“40個(gè)自由度”。

“蝙蝠的飛行能力是空中機(jī)器人夢(mèng)寐以求的。它能執(zhí)行復(fù)雜的飛行技能，比如顛倒棲息和快速轉(zhuǎn)彎。蝙蝠還有非常復(fù)雜的機(jī)翼運(yùn)動(dòng)，有超過40個(gè)關(guān)節(jié)和非常薄的膜翅膀。”論文的通訊作者、加州理工學(xué)院教授Soon—Jo Chung說。

因?yàn)檫@些靈活的關(guān)節(jié)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蝙蝠能夠通過類似“曲肘”或“翻腕”的動(dòng)作控制向前或向后飛行。而且，在每個(gè)翼跳周期期間，有些骨骼會(huì)隨著翅膀扇動(dòng)變形，以控制飛行姿態(tài)。相較于鳥類，蝙蝠具有難以置信的機(jī)動(dòng)性，可用翅膀攔截昆蟲。更早的時(shí)候，一項(xiàng)來(lái)自美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)的研究顯示，一般鳥類通常只借助雙翼向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力，而蝙蝠在飛行時(shí)，雙翼向上運(yùn)動(dòng)同樣可以產(chǎn)生升力。

蝙蝠靈活的翅膀令科學(xué)家贊嘆不已，但制造“蝙蝠機(jī)器人”也因此變得十分困難，對(duì)機(jī)器人建模、設(shè)計(jì)和控制提出了大量技術(shù)挑戰(zhàn)。來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校和加州理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)年探索，于去年研制了名為Bat Bot（B2）的“蝙蝠機(jī)器人”，并登上了2017年2月份最新一期的《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》封面。

由于種種限制，研究團(tuán)隊(duì)并沒有完全模仿蝙蝠的翅膀結(jié)構(gòu)，他們只參考了蝙蝠的5個(gè)自由度：肘部、肩部、腿部、腕部和尾部的運(yùn)動(dòng)。雖然與蝙蝠相去甚遠(yuǎn)，但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，“蝙蝠機(jī)器人”可以復(fù)制蝙蝠57％以上的飛行動(dòng)作。

最令人眼前一亮的是，“蝙蝠機(jī)器人”的飛行無(wú)需遠(yuǎn)程操作，而是通過機(jī)載計(jì)算機(jī)和幾個(gè)傳感器控制，根據(jù)不同環(huán)境自主導(dǎo)航。Soon—Jo Chung介紹，為實(shí)現(xiàn)“蝙蝠機(jī)器人”自主飛行，它采用機(jī)載的定制電子部件，導(dǎo)航和控制算法在主控板上實(shí)時(shí)運(yùn)行，而處理傳感器數(shù)據(jù)和控制制動(dòng)器用的是單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集器。傳感器包含一個(gè)慣性測(cè)量裝置（IMU）和五個(gè)位于肘部、臀部和翅膀關(guān)節(jié)處的磁編碼器。

Soon—Jo Chung表示，目前“蝙蝠機(jī)器人”已可以成功直飛30米，其通過調(diào)節(jié)左右翼和尾部的關(guān)節(jié)，使薄膜變形，從而達(dá)成自主飛行。這些關(guān)節(jié)都有復(fù)雜的算法進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得機(jī)器人可以如同蝙蝠一般飛行，包括傾斜盤旋和俯沖。

“相較于四軸飛行器，‘蝙蝠機(jī)器人’具有許多實(shí)際優(yōu)勢(shì)：在有人環(huán)境中，‘蝙蝠機(jī)器人’柔軟的翅膀是最顯著優(yōu)勢(shì)。它不會(huì)像四軸飛行器或者其他旋翼航空器那樣，因其剛性材料的螺旋槳和高噪音對(duì)人類構(gòu)成潛在危害。相比之下，翼部主要由柔性材料構(gòu)成的‘蝙蝠機(jī)器人’即使碰撞，也不會(huì)對(duì)自身和障礙物造成很大損壞，而且較低頻率的翅膀扇動(dòng)也會(huì)降低噪音。”發(fā)表于《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》的論文這樣描述其優(yōu)勢(shì)。

報(bào)告稱，“蝙蝠機(jī)器人”的機(jī)翼由具有高延展性的柔性硅膠膜制成，只有56微米厚；而骨架由碳纖維構(gòu)成；整體重約93克，翼展約47厘米。

科研團(tuán)隊(duì)希望，這種高度靈活機(jī)動(dòng)的機(jī)器人能夠替代四旋翼無(wú)人機(jī)成為人類的好幫手，它的機(jī)翼可以變成任何形狀以在建筑勘測(cè)中避開橫梁，或者在危險(xiǎn)地域進(jìn)行偵查幫助救災(zāi)。

當(dāng)然，“蝙蝠機(jī)器人”的研究剛剛起步。研究人員表示，目前的機(jī)器人飛行時(shí)間受電池容量的限制，而且現(xiàn)在還太易破損，暫時(shí)還不能投入生活中使用。論文還提到，研究人員正在研究如何讓“蝙蝠機(jī)器人”倒立。

評(píng)點(diǎn)：人造物仍無(wú)法與飛行生物媲美

飛鳥、昆蟲以及哺乳動(dòng)物中的蝙蝠等在上億年進(jìn)化歷史中，經(jīng)過不斷適應(yīng)環(huán)境和優(yōu)化選擇，其在形態(tài)、運(yùn)動(dòng)方式、能量利用等方面，達(dá)到了幾乎完美的程度，為空中仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。

甚至到今天，雖然人類能夠造出以數(shù)馬赫巡航的固定翼飛機(jī)，但在精細(xì)飛行方面，人造物仍無(wú)法與大自然“制造”的飛行器相媲美。在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，“只要推力大，板磚飛上天”這句頗具冷幽默的話經(jīng)常被愛好者乃至從業(yè)人員掛在嘴邊，其反映了人造飛行器的某種發(fā)展方式：通過強(qiáng)大的動(dòng)力來(lái)補(bǔ)償空氣動(dòng)力學(xué)的缺陷。

這就導(dǎo)致一個(gè)問題：傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)尺寸和飛行速度降低到一定數(shù)量級(jí)時(shí)，其產(chǎn)生的升力就不足以維持飛行；旋翼型飛機(jī)雖然能夠微型化，但是機(jī)動(dòng)性方面仍達(dá)不到人們要求，距離鳥類乃至蝙蝠更相去甚遠(yuǎn)。

雖然人類到目前為止還沒有開發(fā)出任何一款可以和鳥類或昆蟲相媲美的撲翼飛行器，但撲翼飛行卻是已被大自然所驗(yàn)證的完美飛行模式。

例如，時(shí)速達(dá)3馬赫的SR—71超音速飛機(jī)，每秒可飛過32倍的機(jī)身長(zhǎng)度。然而，當(dāng)一只普通鴿子以80km／h的正常速度飛行的時(shí)候，已達(dá)到自身體長(zhǎng)的75倍，某些雨燕甚至可以達(dá)到每秒140倍；在機(jī)動(dòng)性方面，高機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)飛機(jī)（如A—4Skyhawk攻擊機(jī)）的滾轉(zhuǎn)速率大約是每秒720°，而燕子卻可超過每秒5000°，急停、避障、倒飛等特技動(dòng)作更讓人造飛行器望塵莫及；在穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)飛行方面，人造飛行器根本無(wú)法在強(qiáng)氣流中飛行，并且只能在特定條件下做出特定機(jī)動(dòng)動(dòng)作，而鳥類和昆蟲不斷重復(fù)著下拍和上揮的撲翼動(dòng)作，有些頻率甚至高達(dá)1000Hz，但其自身卻具有極好的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，能迅速對(duì)外界變化作出反應(yīng)；人造飛行器的失速迎角最大在15°左右，而一些昆蟲的失速迎角卻可以達(dá)到60°。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士陳亮認(rèn)為，飛行生物的這種優(yōu)異性能，人類目前還無(wú)法完全模仿，還有大量隱藏在其后的原理、規(guī)律沒有被人類所認(rèn)識(shí)。

人類最早嘗試飛行時(shí)，的確試圖模仿鳥類。15世紀(jì)，達(dá)·芬奇在他的手稿中設(shè)計(jì)了一個(gè)由人力驅(qū)動(dòng)的撲翼模型，被認(rèn)為是迄今為止最早的設(shè)計(jì)撲翼飛行器構(gòu)思。所謂“撲翼”，即如鳥類、昆蟲乃至蝙蝠等拍打翅膀進(jìn)行飛行。

但載人撲翼飛機(jī)至今未有長(zhǎng)距飛行成功的先例。在1991年的多倫多大學(xué)載人撲翼機(jī)實(shí)驗(yàn)失敗后，有學(xué)者分析認(rèn)為，在撲翼飛行器設(shè)計(jì)中，重量和尺寸立方成正比：當(dāng)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)增加了駕駛?cè)藛T和操縱設(shè)備后，重量增大了76倍，而飛行器尺寸只是變成原來(lái)的4倍，增加的升力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能平衡增加的重量，所以不能真正實(shí)現(xiàn)飛行。到目前為止，撲翼飛行器幾乎沒有載人方向的研究。

自20世紀(jì)以來(lái)，微型撲翼飛行器逐漸吸引研究者的關(guān)注。陳亮認(rèn)為，早期對(duì)撲翼飛行器的研究主要集中在機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、外觀等的簡(jiǎn)單模仿上，而對(duì)撲翼氣動(dòng)特性的研究則開展較少。

難點(diǎn)：撲翼飛行應(yīng)用，缺理論等支撐

陳亮指出，近年來(lái)，雖然在實(shí)物樣機(jī)和理論分析方面取得了初步的成果，但要想完全理解撲翼飛行的高升力機(jī)理，并將其應(yīng)用到人造飛行器領(lǐng)域，目前仍存在巨大挑戰(zhàn)。

“僅就撲翼運(yùn)動(dòng)規(guī)律而言，看似周期性上下?lián)鋭?dòng)，實(shí)際上還疊加了俯仰、扭轉(zhuǎn)、折疊及復(fù)雜的柔性變形，這是一種極其復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，翼面上每一點(diǎn)的氣動(dòng)力都是隨時(shí)間和空間位置而變化的。”陳亮認(rèn)為。

另外，他還指出，撲翼飛行模式在氣動(dòng)力特性的很多方面與其它飛行模式存在明顯區(qū)別，不同生物在幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式上也存在很大差異，“很難用統(tǒng)一的理論對(duì)其描述。總體而言，有關(guān)撲翼飛行機(jī)理的研究還很不完善。”陳亮在其博士論文中寫道。

陳亮認(rèn)為，仿生撲翼機(jī)器人涉及仿生學(xué)、非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)等多個(gè)先進(jìn)學(xué)科，而人類對(duì)這些學(xué)科的研究目前還處于初始階段。其中，核心問題在于，“傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)理論在解釋鳥類和昆蟲撲翼飛行原理的時(shí)候遇到了極大障礙，采用傳統(tǒng)理論計(jì)算得出的升力根本不能夠克服飛行生物自身的重量”。

而事實(shí)上，通過對(duì)鳥類和昆蟲飛行能力的大量觀察表明，飛行生物撲動(dòng)翅膀時(shí)所產(chǎn)生的非定常升力，往往達(dá)到定常值的2—3倍，不僅能完全用來(lái)平衡昆蟲的體重，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的高難度機(jī)動(dòng)飛行。

除了理論方面尚待突破外，仿生撲翼機(jī)器人還存在材料和能源的問題。陳亮介紹，蜻蜓、蒼蠅等昆蟲的翅膀都是由質(zhì)量非常輕的網(wǎng)狀架構(gòu)和薄膜材料構(gòu)成，對(duì)于這類超輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高柔性生物材料的組成、理化方式和機(jī)械性能，我們尚缺乏足夠了解。

國(guó)家自然科學(xué)基金委工程與材料科學(xué)部副主任王國(guó)彪在關(guān)于仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀的綜述中提到，國(guó)內(nèi)研究人員也始終關(guān)注空中仿生機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)，在這方面的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用上做了大量的研究工作。其中南京航空航天大學(xué)通過非定常渦格法的計(jì)算，分析仿鳥復(fù)合振動(dòng)的撲翼氣動(dòng)特性，并且據(jù)此制作了幾種不同大小和形式的仿鳥撲翼飛行器。

王國(guó)彪還表示，北京航空航天大學(xué)長(zhǎng)期從事昆蟲飛行理論研究，通過試驗(yàn)觀測(cè)、理論計(jì)算、模擬仿真的方法研究昆蟲飛行、懸停、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，為微型撲翼飛行器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

如何做成的？

“蝙蝠機(jī)器人”的機(jī)翼由具有高延展性的柔性硅膠膜制成，僅56微米厚；而骨架由碳纖維構(gòu)成；整體重約93克，翼展約47厘米。

有何獨(dú)特性？

目前，“蝙蝠機(jī)器人”可以成功直飛30米，其通過調(diào)節(jié)左右翼和尾部的關(guān)節(jié)，使薄膜變形，從而達(dá)成自主飛行。這些關(guān)節(jié)都有復(fù)雜的算法進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得機(jī)器人可以如同蝙蝠一般飛行，包括傾斜盤旋和俯沖。

能有啥作用？

能夠替代四旋翼無(wú)人機(jī)成為人類的好幫手，它的機(jī)翼可以變成任何形狀以在建筑勘測(cè)中避開橫梁，或者在危險(xiǎn)地域進(jìn)行偵查幫助救災(zāi)。

未來(lái)會(huì)怎樣？

傳統(tǒng)仿生機(jī)器人存在“形似而神不似”的問題。目前，學(xué)界正向著剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)、材料、驅(qū)動(dòng)一體化，神經(jīng)元精細(xì)控制，高效能量轉(zhuǎn)換的類生命系統(tǒng)方向發(fā)展。

延伸：那些神奇的仿生機(jī)器人

1 機(jī)器蒼蠅

2013年，哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制出“機(jī)器蒼蠅”，重80毫克，翼展僅3厘米，翅膀振動(dòng)頻率為每秒120次。其飛行運(yùn)動(dòng)原理和蒼蠅非常相似，可像蒼蠅一樣在空中懸停、轉(zhuǎn)彎；而且，其左右翅膀可單獨(dú)控制，極大地提升靈活度。

但“機(jī)器蒼蠅”尚無(wú)法解決電源問題：因現(xiàn)有電源最輕的也達(dá)到了0．5克，是機(jī)器蒼蠅體重的數(shù)倍，所以目前只能用一根超輕銅線給機(jī)器蒼蠅供電，這根線同時(shí)用于傳遞控制信號(hào)。

2 機(jī)器魚

水下仿生機(jī)器人是從模仿魚類游動(dòng)開始的，從最初利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)模仿魚類尾部的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。推進(jìn)模式從早期的身體／尾鰭推進(jìn)（BCF）發(fā)展到中鰭／對(duì)鰭推進(jìn)（MPF），提高了仿生機(jī)器人的推進(jìn)效率和機(jī)動(dòng)性。

3 機(jī)器蛇

蛇形機(jī)器人由于其細(xì)長(zhǎng)的形體結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，能夠跨越窄溝和進(jìn)入空洞，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和地面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。經(jīng)過幾十年研究，蛇形機(jī)器人由最初實(shí)現(xiàn)仿蛇的基本運(yùn)動(dòng)，發(fā)展到具有避障、攀爬、翻滾以及水中游動(dòng)等多種功能，并具備一定環(huán)境感知能力。